Как эволюция влияет на формирование популяций бактерий в кишечнике человека?

Новости МирТесен

В кишечнике человека существует сложная экосистема, состоящая из триллионов микроорганизмов (микробиом), оказывающая влияние на процессы пищеварения, работу иммунной системы и метаболизм. Группа ученых из Венского университета провела исследование 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.

Эти популяции часто встречаются у людей пожилого возраста, страдающих хроническими воспалительными заболеваниями кишечника, колоректальным раком и сахарным диабетом 2-го типа. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, эти исследования позволят выявить биомаркеры и, в перспективе, создать более эффективные способы терапии.

При анализе микробиома бактерии, как правило, группируют по видам или генетически близким группам. Хотя такой подход удобен в практическом плане, он не всегда точно отображает популяции, адаптировавшиеся к разнообразным условиям в организме человека. Поэтому нередко остается неясным, какие бактерии связаны с патологическими процессами, какие присутствуют случайно, а какие способны оказывать защитное воздействие. В этой связи возникает вопрос о возможности определения более специфичных биологических единиц, сформировавшихся в результате адаптации и занимающих различные экологические ниши в кишечнике?

В ходе исследования, специалисты изучили генетическую информацию о микробных сообществах, полученную из образцов, взятых у людей из разных стран, разных возрастных групп и с различным состоянием здоровья. Для этого была проанализирована большая выборка бактериальных изолятов, выделенных из кишечника человека, а также обширные метагеномные данные – то есть полную генетическую информацию о микробных сообществах. Применяя биоинформатический метод, основанный на принципах «обратной экологии» – подхода, позволяющего делать выводы об экологической адаптации на основе геномных данных, – исследователи выявляли генетические признаки, свидетельствующие об успешной адаптации.

Заметным оказалось проявление признака «полногеномного селективного сдвига» — явления, при котором организм получает выигрышную мутацию и вследствие этого вытесняет других, генетически близких особей. Это, с одной стороны, ведет к снижению генетического разнообразия, но, с другой – способствует формированию популяций, характеризующихся высокой степенью однородности как в плане родственных связей, так и в отношении выполняемых функций, что делает их явно различимыми в анализируемых данных.

Результаты исследования выявили, что известные виды кишечных бактерий можно разделить на несколько групп. Данные популяции отличаются условиями, в которых они наиболее успешно развиваются. «Если не ограничиваться простым подсчетом видов, а оценивать эволюционную приспособленность, можно гораздо точнее определить биологически значимые единицы микробиома, — отмечает ведущий автор исследования Сяоцянь Энни Ю, сотрудник Центра микробиологии и экологии Венского университета. — Даже внутри одного вида бактерий популяции могут встречаться чаще при определенных заболеваниях, что часто остается незамеченным при рассмотрении всех популяций в целом».

Ученые выявили свидетельства того, что популяции, находящиеся в условиях высокой конкуренции, способны к стремительному распространению на континентах — иногда этот процесс занимает всего несколько десятилетий. Ранее подобное явление чаще всего отмечалось у возбудителей болезней.

«По словам Мартина Ф. Польца, руководителя исследования из Венского университета, кишечная микрофлора обладает большей изменчивостью, чем предполагалось ранее. Наиболее приспособленные штаммы способны распространяться по всему миру, осваивая новые экологические ниши. Это указывает на то, что формирование микробиома определяется не только питанием, приемом лекарственных препаратов или образом жизни, но и механизмами передачи микроорганизмов от одного человека к другому.

Изучение микробиома открывает перспективные направления для дальнейших исследований. Вместо того чтобы ассоциировать определенные болезни с отдельными видами бактерий, в будущем появится возможность целенаправленно воздействовать на те сообщества микроорганизмов, которые оказывают значительное влияние на здоровье. Это позволит более эффективно выявлять биомаркеры и в перспективе применять более адресную терапию, например, стимулировать рост полезных бактерий или сдерживать рост патогенных. На последующем этапе исследователи планируют определить, какие гены характеризуют выделенные популяции и какие биологические функции с ними коррелируют.

[Фото: kjpargeter / Magnific.com]