Современный образ жизни изменяет ДНК бактерий в кишечнике

Фото из открытых источников

Кишечные бактерии могут приобретать гены от соседних микробов, что усугубляет генетические различия, связанные с образом жизни людей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Cell.

Диета, антибиотики и состояние водопровода в доме влияют на то, какие бактерии поселяются в кишечнике человека. Это было ясно уже много лет. Исследователи не смогли сказать, эволюционировали ли сами бактерии в ответ на это.

Исследование почти 6000 геномов кишечных бактерий показало, что они действительно существуют. В ходе исследования было установлено, что штаммы из индустриально развитых регионов содержат больше генов, чем штаммы из неиндустриально развитых регионов.

Большинство дополнительных генов появились сравнительно недавно. Бактерии не унаследовали их от родительской клетки. Они получили их от других микробов, живущих рядом с ними. Таким образом, современная жизнь изменила не только состав бактерий, обитающих в кишечнике. Теперь один и тот же вид бактерий несет в себе разный набор генов в зависимости от условий жизни хозяина.

Работу проводили исследователи из Института клинической молекулярной биологии Кильского университета и кафедры биологической инженерии Массачусетского технологического института, а эволюционное моделирование выполнялось в Японии. Все измерения проводились на основе бактериальных геномов, поэтому ничто из измеренного не доказывает, что больший бактериальный геном делает человека здоровее или больнее.

Все геномы получены из Global Microbiome Conservancy, некоммерческой организации, занимающейся хранением живых штаммов из сообществ, которые в основном игнорировались в исследованиях микробиома.

Для этого исследования 20 добровольцев из Камеруна, Ганы, Малайзии, Нигерии и Руанды предоставили свежие образцы стула. Никто из них не принимал антибиотики в последнее время. Ученые обработали каждый образец на месте в течение трех часов. Затем образцы были заморожены в жидком азоте при температуре минус 321°F (минус 196°C).

В лаборатории материал помещали на чашки Петри в бескислородной камере. Колонии росли при температуре 37°C в течение одной-двух недель. Затем отбирали отдельные колонии и проводили их секвенирование. В результате культивирования было получено 1841 новый бактериальный геном. Вместе с 4140 уже имеющимися штаммами коллекция достигла 5981 генома. Геномы были получены от 56 доноров из девяти стран.

Исследователи классифицировали доноров как промышленно развитые или непромышленно развитые страны, используя показатель уровня развития региона их проживания, сравнивая его со средним показателем по стране.

Из этой коллекции команда отобрала десять видов, хорошо изученных по обе стороны границы, по меньшей мере по восемь штаммов с каждой стороны. Большинство из них относятся к роду Bacteroides и его близким родственникам, основным бактериям нижнего отдела кишечника. Бактерия E. coli была намеренно исключена из исследования. Ее генетическое разнообразие уже подробно изучено.

У всех десяти видов штаммы, выделенные из кишечника животных, подвергшихся промышленной обработке, содержали больше генов, кодирующих белки. Разница была статистически значимой у восьми из десяти видов.

Основные гены, те, которые есть у каждого штамма вида, не показали никаких различий. Дополнительный материал представлял собой необязательные гены, те, которые есть у одного штамма, а у другого — нет.

Дополнительные наборы параметров также значительно различались от штамма к штамму у промышленно используемых хозяев, опять же, у всех десяти видов. Затем команда расширила сравнение до 34 видов и увидела ту же закономерность.

Больший геном может означать две разные вещи. Либо эти штаммы получили гены относительно недавно, либо штаммы, которые уже имели большие геномы, просто хорошо прижились в современных кишечниках.

Разделение этих двух явлений было поручено группе исследователей на Окинаве, Япония. Они сравнили генеалогическое древо отдельного гена с генеалогическим древом вида, несущего этот ген. Несоответствие между ними указывает на место, где ген был приобретен, утрачен или передан.

Увеличение числа генов сгруппировано вблизи вершин эволюционных деревьев, что указывает на то, что оно произошло относительно недавно. Они также скопились на ветвях, принадлежащих промышленным предприятиям. От 80% до 90% этого прироста приходилось на перенос от других микроорганизмов. Лишь небольшая часть происходила от родительской клетки.

Многие из них прибыли в упаковке, содержащей плазмиды и вирусы, заражающие бактерии. Оба организма передают сразу несколько генов. Обмен такого рода происходит далеко за пределами кишечника, в почве, морской воде и оттаивающей вечной мерзлоте.

Гергели Сёллёши возглавляет подразделение эволюционной геномики на основе моделей в Окинавском институте науки и технологий. Его группа разработала эти инструменты для решения гораздо более старой проблемы, а Ленард Шанто, старший биоинформатик в этом подразделении, адаптировал их к гораздо более короткому временному промежутку.

«Эти методы были разработаны для изучения событий, произошедших сотни миллионов и миллиарды лет назад, поэтому не было очевидно, что они смогут рассказать нам что-либо о столь недавнем прошлом», — сказал Сёллёши. «Ленард заставил их потрудиться над этой проблемой, и в итоге выяснилось, что бактерии в индустриально развитых странах в последнее время начали приобретать гены у своих соседей, и именно это приводит к увеличению размера их геномов».

Примерно 5% семейств генов в типичной коллекции видов соответствовали образу жизни хозяина. Команда проверила это, сравнив полученные данные с бактериальной ДНК, считанной непосредственно из кала 1015 человек, и 83% сигналов совпали.

Некоторые семейства генов были обнаружены более чем у одного вида, что сложнее объяснить случайностью. Два из них помогают формировать внешнюю оболочку клетки, ту часть, с которой взаимодействуют другие микробы и иммунная система.

Ещё одним повторяющимся геном оказался фермент, расщепляющий препараты пенициллинового ряда. Подобные гены перемещаются по одной и той же мобильной ДНК, распространяя устойчивость к антибиотикам в городах и на фермах.

Команда также подсчитала количество генов, в которых мутации, изменяющие белок, накапливались быстрее, чем мутации, не изменяющие белок. Такая закономерность обычно указывает на то, что изменение является предпочтительным. Примерно 1,4% исследованных генов соответствовали критериям. Один из них помогает клетке удерживать свою внешнюю оболочку в условиях стресса, и этот признак был обнаружен у трех разных видов.

У пяти видов с наибольшим количеством геномов исследователи отслеживали различия в ДНК, выражающиеся в отдельных буквах, в основных генах. Варианты, связанные с организмами-хозяевами, приспособленными к промышленному производству, постоянно выполняли одни и те же несколько задач: построение клеточной стенки, преодоление стресса и производство витамина B12.

В сопутствующем исследовании той же группы было обнаружено, что в кишечнике людей, в большей степени подверженных воздействию промышленных условий, вырабатывается больше витамина B12.

Ещё один комплекс изменений затронул гены, отвечающие за синтез молекулы на поверхности бактерий. Иммунная система человека считывает эту молекулу и реагирует на неё.

Исследователи пока не проверяли, влияет ли что-либо из этого на поведение иммунной системы человека. Авторы написали, что это возможность, заслуживающая дальнейшего изучения.

«Я надеюсь, что наши результаты вдохновят на дальнейшие исследования, которые позволят использовать эти знания для того, чтобы помочь нам вести более здоровый образ жизни в условиях меняющейся окружающей среды», — сказал Шанто.

Анализ не позволяет определить, какая именно составляющая индустриального образа жизни является причиной. Питание, медицина, санитария и воздействие микробов извне — все эти факторы взаимосвязаны, и данные не позволяют разделить их.

Увеличение размера генома может вовсе не являться адаптацией. Дополнительные гены накапливаются сами по себе, когда снижается давление, направленное на удаление бесполезной ДНК, и авторы не смогли исключить такую возможность.

Десять видов бактерий — это тонкий слой кишечника, в котором обитают сотни видов, и большинство из них принадлежат к одной группе бактерий. Здесь отсутствуют виды бактерий, которые никогда не выращивались в лаборатории, что важно, поскольку в кишечнике животных, подвергшихся промышленному культивированию, изначально содержится меньше видов бактерий.

Само исследование не проверяет, какую именно функцию выполняют эти дополнительные гены внутри организма человека. Для получения ответа на этот вопрос потребуются эксперименты, а не исследование новых геномов. Авторы призывают к проведению контролируемых экспериментов с бактериями, лабораторных исследований эволюции и более детальных измерений условий жизни людей.

* Информация представлена исключительно в ознакомительных целях и не служит рекомендацией для лечения заболеваний