Некоторые типы бактерий, обитающих в кишечнике, могут передаваться от человека к человеку и за несколько десятилетий распространяться по разным континентам. Кроме того, внутри одного вида микробов могут существовать скрытые эволюционные ветви, неодинаково связанные со старением, воспалительными заболеваниями кишечника, раком толстой кишки и сахарным диабетом второго типа. К такому выводу пришла международная группа ученых, которую возглавил Венский университет. О том, почему микробиом в прямом смысле нельзя называть заразным и как это открытие может повлиять на диагностику заболеваний, рассказано в материале «Известий».
Почему простое наименование бактерии не исчерпывает картинуСправка «Известий»В кишечнике человека живут триллионы микроорганизмов. Вместе они составляют микробиом — сложную экосистему, участвующую в пищеварении, метаболизме и функционировании иммунитета. На этот состав влияют питание, возраст, лекарства, болезни, образ жизни и экология. Новая работа показывает, что в этот список нужно добавить еще и передачу микробов между людьми.
Но речь не о том, что микробиом способен распространяться, как вирус гриппа или возбудитель кишечной инфекции. Исследователи не фиксировали передачу микроорганизмов при конкретных контактах и не определяли ее маршруты. В бактериальных геномах они нашли признаки того, что отдельные ветви микробов могли последовательно переходить между людьми и в конечном счете достигали удаленных популяций.
В большинстве работ о микробиоме бактерии объединяют по видам или по общему генетическому сходству. Это просто, но способно скрывать существенные различия между близкородственными микроорганизмами.
Представители одного вида бактерий могут нести разные гены, по-разному контактировать с иммунной системой и использовать различные экологические ниши в кишечнике. Одни лучше выживают при воспалении, другие эффективнее утилизируют конкретные питательные вещества, третьи чаще встречаются у здоровых людей.
Если анализировать вид целиком, все эти отличия усредняются. Тогда становится труднее понять, какая именно бактериальная линия причастна к болезни, какая присутствует случайно, а какая может быть защитной.
Чтобы найти такие скрытые группы, авторы задействовали метод «обратная экология». Обычно специалисты сначала изучают среду, потом определяют, какие организмы адаптировались к ней. Здесь порядок был противоположным: рассмотрев геномы микробов и сохранившиеся в них особенности, ученые реконструировали процесс приспособления к кишечным условиям.
Каким образом выявляли успешные линии бактерий«Если учитывать не только виды, но и эволюционную адаптацию, биологически значимые единицы микробиома удается выявлять точнее», — пояснила ведущий автор работы, сотрудница Центра микробиологии и экологических систем Венского университета Сяоцянь Энни Ю.
Для исследования собрали 19 837 ранее обнародованных геномов бактериальных изолятов, дополнительно секвенировав 186 образцов австрийских участников. После фильтрации по качеству в основную выборку вошло 16 864 генома. Их разделили на 176 геномных групп, примерных аналогов видов. Затем разработанный авторами вычислительный алгоритм PopCoGenomeS стал искать в них следы полногеномного селективного выметания.
Такой процесс происходит, когда одна бактерия получает полезное изменение и получает преимущество над родичами. Ее потомки массово размножаются и вытесняют конкурентов из ниши. Тогда разнообразие популяции на время сокращается, но победившая линия вновь копит мутации и распадается на новые варианты.
На эволюционном дереве бактерий этот процесс создает узор, похожий на метлу: от длинного «черенка» идет ветвь с очень близкими геномами. Она представляет потомков единого недавнего и удачно распространившегося предка.
Анализ затруднен тем, что микроорганизмы умеют обмениваться отдельными кусками ДНК. Рекомбинация способна запутывать происхождение бактерий или давать ложное впечатление родства. Поэтому исследователи отдельно оценивали, какие части генома получены от предков, а какие — через обмен генетическим материалом.
Сначала алгоритм отметил 377 предполагаемых событий полногеномного селективного выметания. Затем ученые проверили их на 1477 метагеномных образцах из 74 массивов данных. Метагеном, в отличие от генома отдельной культуры, представляет всю совокупность генетической информации микробного сообщества в образце.
В конечном счете подтвердились 124 линии в 66 бактериальных группах. Среди них 46 групп — в основном непатогенные жители кишечника, одиннадцать групп патогенов и девять групп бактерий из ферментированных и функциональных продуктов.
Как бактериям удалось пересечь континентыОсобенно удивили масштабы распространения неопасных, комменсальных бактерий. Из 77 выявленных у них линий 54 встречались на более чем одном материке, а у 42 не оказалось заметной привязанности к региону. Для определения возраста популяций авторы использовали скорость накопления мутаций как молекулярные часы. Расчеты указали, что линии образуются в течение тысячелетий, но часть оказалась сравнительно новой.
По оценке ученых, 26 линий, найденных на разных континентах, возникли менее века назад. Получается, отдельные комменсалы могут распространяться по миру за период человеческой жизни.
И все же темпы их миграции ниже, чем у возбудителей эпидемий. Патоген способен обойти весь мир за недели или месяцы, тогда как обычным кишечным бактериям для этого требуются десятилетия и длинные цепочки передач.
Особенно показателен пример линии Bacteroides uniformis. Она присутствовала у народов бака и бети в Камеруне, а также у индейцев мацес в Перу. Эти сообщества находятся на разных материках и напрямую между собой не взаимодействовали.
Ученые предполагают, что бактерия могла путешествовать через цепочку человеческих популяций. Возможен и другой сценарий: линия существовала широко до индустриализации, но затем утратилась у значительной части людей из-за изменений образа жизни, рациона и окружающей среды. Предполагаемый возраст составил от 100 до 1000 лет.
Руководитель исследования, профессор Венского университета Мартин Польц, заявил, что приспособленные бактерии кишечника гораздо более динамичны, чем думали раньше: они могут мигрировать между странами и осваивать новые ниши.
При этом геномные данные не показывают, как именно происходила передача — при контакте, внутри семей, через пищу, воду или другие источники. Работа отражает итог долгого распространения, но не восстанавливает каждую его стадию.
Что открытие сулит медицинеЭти результаты дают возможность точнее изучать микробиом. Вместо сопоставления болезни со всем видом бактерий исследователи смогут фокусироваться на конкретных эволюционных популяциях внутри него.
В перспективе такие линии станут биомаркерами, помогающими оценивать состояние кишечника или вероятность ряда патологий. Данный подход способен улучшить и экспериментальные модели: для опытов можно будет отбирать именно те штаммы, которые ассоциированы с изучаемым заболеванием, а не любого представителя вида.
В отдаленном будущем возможно появление точечных способов влиять на микробиом. Теоретически терапия сможет подавлять конкретные неблагоприятные популяции, не уничтожая весь вид, либо поддерживать линии с вероятной защитной функцией.
Пока такие методы далеки. Авторам предстоит выяснить, какие именно гены дали бактериям преимущество, как они влияют на функции микроорганизмов и являются ли линии, связанные с болезнями, причиной или следствием изменений.