В кишечнике человека обитает сложная экосистема из триллионов микроорганизмов (микробиом), которая влияет на пищеварение, иммунную систему и обмен веществ. Исследовательская группа под руководством ученых из Венского университета использовала аналитический подход «обратной экологии», чтобы продемонстрировать, что многие известные виды кишечных бактерий состоят из нескольких эволюционно обособленных групп, которые адаптировались к различным условиям в кишечнике.
Некоторые из этих популяций связаны с преклонным возрастом, хроническими воспалительными заболеваниями кишечника, колоректальным раком и сахарным диабетом 2-го типа. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, помогут в поиске биомаркеров, а в долгосрочной перспективе — в разработке более точных методов лечения.
При изучении микробиома бактерии обычно классифицируют по видам или генетически схожим группам. Несмотря на то, что такая классификация практична, она не всегда отражает популяции, которые адаптировались к различным условиям в организме человека. В результате часто остается неясным, какие бактерии связаны с заболеваниями, какие являются случайными, а какие могут оказывать защитное действие. В связи с этим возникает вопрос: можно ли выделить более точные биологические единицы, которые появились в результате адаптации и занимают различные экологические ниши в кишечнике?
Исследовательская группа проанализировала тысячи бактериальных изолятов из кишечника человека, а также обширные метагеномные данные — то есть полную генетическую информацию о микробных сообществах в образце — людей из разных стран, возрастных групп и с разным состоянием здоровья. Используя биоинформатический метод в рамках «обратной экологии» — подхода, который позволяет делать выводы об экологической адаптации на основе геномных данных, — исследователи искали генетические следы успешной адаптации.
Особенно интересными оказались признаки «полногеномного селективного сдвига» — процесса, при котором особь приобретает полезную мутацию и тем самым вытесняет других, близкородственных особей. С одной стороны, это приводит к утрате разнообразия, с другой — к появлению популяций особей, которые очень однородны как с точки зрения родства, так и с точки зрения функций и поэтому явно выделяются на фоне друг друга в наборе данных.
Анализ показал, что многие известные виды кишечных бактерий делятся на несколько таких групп. Эти популяции различаются по условиям, в которых они особенно хорошо себя чувствуют. «Если не просто подсчитывать виды, а учитывать эволюционную адаптацию, можно гораздо точнее определить биологически значимые единицы микробиома, — говорит ведущий автор исследования Сяоцянь Энни Ю из Центра микробиологии и экологии Венского университета. — Даже среди одного и того же вида бактерий одни популяции встречаются при определенных заболеваниях чаще, чем другие. Если рассматривать все популяции вместе, это часто остается незамеченным».
Исследователи обнаружили доказательства того, что высококонкурентные популяции могут быстро распространяться по континентам — в некоторых случаях за несколько десятилетий. До сих пор такая закономерность наблюдалась в основном у патогенов.
«Кишечные бактерии более динамичны, чем считалось ранее. Хорошо адаптировавшиеся штаммы могут распространяться по всему миру и занимать новые экологические ниши», — говорит руководитель исследования Мартин Ф. Польц из Венского университета. Это говорит о том, что на микробиом влияют не только питание, лекарства или образ жизни, но и процессы передачи микробиома от человека к человеку.
Исследование открывает новые возможности для изучения микробиома. Вместо того чтобы связывать с заболеваниями целые виды бактерий, в будущем можно целенаправленно воздействовать на те популяции, которые действительно играют важную роль. Это может улучшить поиск биомаркеров и в долгосрочной перспективе позволит применять более точную терапию — например, целенаправленно стимулировать полезные штаммы бактерий или подавлять проблемные. На следующем этапе команда исследователей намерена выяснить, какие гены отличают выявленные популяции друг от друга и какие биологические функции с ними связаны.
[Фото: kjpargeter / Magnific.com]
