Кишечные бактерии, вызывающие заболевания, могут скрываться в «секретных» линиях

Фото из открытых источников

В каждом исследовании микробиома приводится список названий видов микроорганизмов. Один вид увеличивается у онкологических больных, другой уменьшается у пожилых людей, а третий резко возрастает во время воспаления.

Название вида рассматривается как ключевая единица. По крайней мере, таково было рабочее предположение. Новый анализ ставит под сомнение это предположение. Внутри одного вида кишечных бактерий может существовать несколько различных линий, ведущих разный образ жизни. 

Именно эти генеалогические линии, а не название вида, на самом деле связаны с раком, диабетом и другими заболеваниями.

Стандартный способ подсчета кишечной микрофлоры заключается в том, чтобы объединить все достаточно похожие бактерии в один вид, а затем выяснить, увеличивается или уменьшается количество бактерий этого вида при заболеваниях.

Проблема в том, что бактерии, имеющие одинаковое видовое название, могут обладать совершенно разными адаптациями, занимать разные участки кишечника и реагировать на различное селективное давление.

Сяоцянь Энни Ю и ее коллеги из Венского университета использовали метод, называемый обратной экологией, для обнаружения этих скрытых подгрупп. Этот метод работает в обратном направлении, начиная с геномов, а не с списка названных видов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

«Если учитывать не только подсчет видов, но и эволюционную адаптацию, можно гораздо точнее определить биологически значимые единицы в микробиоме», — сказал Ю.

Когда одна бактериальная клетка приобретает полезную мутацию, она может вытеснить своих соседей и породить группу практически идентичных потомков. Этот паттерн — оставленный генетический отпечаток — исследователи называют общегеномным селективным отбором.

На генеалогическом древе бактериальных геномов этот узор напоминает метлу: длинная тонкая ручка, переходящая в головку из плотно связанных пучков веточек. Команда разработала программный конвейер для обнаружения этих «метел» в более чем 16 000 геномах изолированных образцов.

Затем исследователи подтвердили каждый вариант, сопоставив его с данными 1477 исследований микробиома кишечника, проведенных среди людей из разных стран. До этого исследования ученые документировали подобные изменения в основном среди патогенных бактерий. Никто не наносил таких данных на обычные бактерии, населяющие здоровую микрофлору кишечника.

Группа исследователей подтвердила проведение 124 проверок в 66 группах бактерий, охватывающих 25 семейств. Большинство пораженных штаммов не являлись патогенами, а представляли собой обычных обитателей кишечника, таких как бактерии рода Bacteroides, Clostridium и Lachnospira.

Результаты опросов были получены как среди бактерий, которые часто обменивались генами, так и среди тех, которые делали это редко. По-видимому, естественный отбор был достаточно сильным, чтобы способствовать захвату целых геномов даже тогда, когда частый обмен генами должен был бы этому препятствовать.

Возраст каждого ответвления можно определить по мутациям, накопленным его членами с момента разделения на ветви. Некоторые скопления датировались сотнями или тысячами лет; 26 из них были моложе столетия. К тому времени представители этих более молодых групп уже распространились по континентам.

Патогены — классический пример бактерий, распространяющихся по всему миру. Кишечные бактерии, обитающие в кишечнике, — нет. Ранее считалось, что они распространяются медленно, в основном через семьи и тесный личный контакт.

В статье 2023 года было установлено, что кишечные штаммы передаются от неродственных людей чаще, чем это допускается случайностью. Новые данные позволяют более точно идентифицировать этих путешественников.

Один очаг заражения бактерией Bacteroides uniformis был обнаружен в трех общинах, живущих в совершенно разных мирах: бака и бета в Камеруне и матсе в Перу, ни одна из которых не имеет прямого контакта с другими.

Его возраст составляет примерно от 100 до 1000 лет. Лучше всего это объясняется длинной цепочкой передачи признаков в прошлом через промежуточные популяции, а затем вымиранием этих промежуточных популяций по мере изменения образа жизни.

Наиболее убедительные доказательства предоставили данные о состоянии здоровья. Команда проанализировала 6783 метагенома на предмет выявления кластеров, связанных с колоректальным раком, болезнью Крона, язвенным колитом, диабетом 2 типа или преклонным возрастом.

Исследователи обнаружили 178 кластеров, связанных как минимум с одним из этих условий, причем многие виды, укрывающиеся в таких кластерах, тянут в противоположных направлениях. Бактерия Bacteroides uniformis продемонстрировала связь со всеми пятью заболеваниями через различные линии развития. На уровне вида такой связи не обнаружено.

Более раннее исследование кишечной микрофлоры и диабета выявило те же самые кажущиеся нулевые значения – сигнал все это время скрывался в геномных линиях. Когда спрашивали, какие гены уникальны для каждого этапа исследования, ответ неизменно сводился к молекулам, покрывающим поверхность бактерий.

Капсульные полисахариды — сахаристые оболочки, окружающие каждую клетку, — непропорционально часто встречались среди генов, специфичных для процесса самосева, особенно у бактерий рода Bacteroides.

Эти оболочки — способ взаимодействия бактерии с иммунной системой человека. Более ранние исследования показали, что они помогают некоторым видам Bacteroides избегать иммунной атаки и модулировать воспаление — та же самая структурная «гонка вооружений», на которую полагаются патогены.

Эти очаги распространения заболеваний связаны с определенными патологическими состояниями, однако исследование не позволяет установить, являются ли они причиной этих заболеваний или просто процветают в условиях, которые эти условия создают.  Эти оценки возраста содержат значительные погрешности, поэтому их следует рассматривать как приблизительные данные.

Исследования микробиома, в которых тот или иной вид классифицируется как опасный или защитный, до сих пор описывали лишь усредненные значения. Одно и то же латинское название может содержать как кластер, наносящий вред одному виду, так и другой, защищающий его.

«Наши результаты показывают, что кишечные бактерии также более динамичны, чем считалось ранее. Хорошо адаптированные штаммы могут распространяться по всему миру и занимать новые экологические ниши», — сказал соавтор исследования Мартин Ф. Польц.

Врачи, занимающиеся поиском биомаркеров микробиома, могут задавать вопрос о том, какой именно кластер микробиома присутствует, а не только о том, какие виды. Пробиотики могут быть нацелены на конкретные линии, а не на целые виды.

Распространение этих генетических линий – некогда представлявших собой лишь курьез среди патогенов – становится частью того, как медицина рассматривает здоровье и болезни в популяциях.