Бактерии в организме человека активно обмениваются генами, в том числе между разными тканями
Бактерии в теле человека обмениваются генами друг с другом с более высокой скоростью, чем обычно наблюдается в природе. Некоторые из этих генов, как показывают данные, перемещаются независимо от своих микробных хозяев из одной части тела в другую. Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Анализ стал возможен благодаря методу молекулярного интеллектуального анализа данных, изначально разработанному старшим научным сотрудником Корейского полярного исследовательского института Кён Мо Кимом. Профессор Густаво Каэтано-Аноллес из Университета Иллинойса и его бывший студент Аршан Насир (ныне выдающийся сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории) усовершенствовали этот вычислительно сложный подход. Он позволил выявить случаи горизонтального переноса генов — прямого обмена генами между организмами вне полового или бесполого размножения.
«Горизонтальный перенос генов — это основная сила обмена генетической информацией на Земле. Эти обмены позволяют микроорганизмам адаптироваться и процветать, но они, вероятно, также важны для здоровья человека», — отметил Каэтано-Аноллес.
«Более глубокое понимание этого явления также будет иметь большое значение для общественного здравоохранения, поскольку появление мультирезистентных патогенов в результате горизонтального распространения генов устойчивости к антибиотикам стало глобальной проблемой», — добавил Насир.
Для нового анализа учёные использовали геномную информацию для построения десятков тысяч «генеалогических деревьев» бактерий, колонизирующих человеческое тело. Сопоставление их с деревьями микробных генов позволило команде выявить, какие гены были унаследованы, а какие стали результатом горизонтального переноса.
«Большинство современных методов определения горизонтального переноса генов сравнивают особенности ДНК или статистическое сходство между геномами. Это хорошо работает для относительно недавних переносов, но часто не выявляет события, произошедшие миллионы или миллиарды лет назад», — пояснил Насир.
Более трудоёмкий подход, использованный в работе, позволил преодолеть это ограничение. Исследователи проанализировали более 1000 референсных бактериальных геномов, отобранных в рамках проекта NIH Human Microbiome Project, из шести участков тела: кишечника, кожи, ротовой полости, крови, мочеполового тракта и дыхательных путей.
Ключевые выводы:
- Обмен генами между микробами в нашем организме происходит примерно на 30% чаще, чем в остальной природе. Это указывает на то, что тело человека представляет собой уникальную нишу, способствующую микробным инновациям.
- Около 40% обмена генами происходило между бактериями, живущими в одном и том же участке тела.
- Остальные 60% включали обмен генами между бактериями в разных тканях (например, между микроорганизмами в кишечнике и в крови).
- Перенос генов был наиболее частым среди близкородственных организмов, независимо от того, занимали ли они одни и те же или разные ткани тела. Фактически, обмен генами между организмами в разных участках тела происходил чаще, чем между неродственными бактериями, живущими в одном месте.
«Некоторые из этих событий могли быть очень древними и произойти до того, как микробы колонизировали тело человека. Также возможно, что некоторые бактерии колонизируют разные участки тела в разные моменты жизни человека. Остальные случаи могут быть результатом переноса бактериальной ДНК из одного места в другое, возможно, через кровь», — предположил Насир.
Разработанный исследователями инструмент HGTree позволит точнее предсказывать, какие гены были унаследованы «вертикально» (через размножение), а какие были получены от других микробов горизонтально. Это углубит понимание микробной и человеческой эволюции.