Революционный подход к изучению кишечной микробиоты

Международная исследовательская группа в рамках консорциума MetaHIT, координируемая INRA и включающая команды из CEA, CNRS и Университета Эври, разработала новый метод анализа глобального генома, или метагенома кишечной микробиоты. Этот метод значительно упрощает анализ микробиома и делает его более мощным. Учёным удалось секвенировать и собрать полные геномы 238 кишечных бактерий, 75% из которых были ранее неизвестны. Работа опубликована 6 июля 2014 года в Nature Biotechnology.

Исследования последних лет полностью изменили наше представление о кишечном экосистеме человека. Бактерии из «простых переработчиков» пищи превратились в ключевые факторы для понимания таких заболеваний, как ожирение, диабет 2-го типа или болезнь Крона. Также были продемонстрированы важные прямые связи между этими бактериями и иммунной системой, а также с мозгом. Оценки показывают, что кишечник каждого человека населяют 100 триллионов бактерий (в 10–100 раз больше, чем клеток в теле человека), а их разнообразие огромно — около тысячи различных бактериальных видов в кишечном метагеноме человека. Однако, поскольку ранее было изолировано и охарактеризовано секвенированием генома только 15% этих бактерий, огромное количество выявленных микробных генов ещё не было отнесено к конкретным видам.

Исследователи разработали метод, который значительно облегчает анализ кишечного метагенома, одновременно повышая качество получаемых данных. В его основе лежит простая гипотеза:

• Внутри вида бактерий, населяющих кишечник человека, количество генов постоянно, так как все бактерии одного вида имеют одинаковые гены.
• Однако относительная численность этих разных видов может сильно варьироваться между людьми (в 10–1000 раз), соответственно, и количество генов, которыми обладает человек, меняется в той же степени.

Измеряя количество бактериальных генов у разных людей, можно сгруппировать гены определённого вида бактерий, потому что их количество одинаково у конкретного человека, но различается между людьми.

Анализ 396 образцов стула датских и испанских индивидуумов позволил исследователям сгруппировать миллионы генов в 7381 ко-группу по численности. Около 10% этих групп (741) соответствовали видам бактерий, названным метагеномными видами (MGS); остальные соответствовали бактериальным вирусам (было обнаружено 848 бактериофагов), плазмидам или генам, защищающим бактерии от вирусных атак (известным как последовательности CRISPR). 85% этих MGS составляли неизвестные виды бактерий (~630 видов).

Используя этот новый подход, исследователи смогли восстановить полные геномы 238 из этих неизвестных видов без предварительного культивирования бактерий. Большинство кишечных бактерий, живущих без кислорода в трудно воспроизводимой среде, не могут быть выращены в лаборатории. До сих пор анализ метагенома основывался на сравнении генов в образце с генами из каталогов известных культивируемых бактерий (15% кишечных бактерий), что делало невозможным отнесение генов к некультивируемым бактериям.

Авторы также продемонстрировали более 800 зависимостей внутри 7381 ко-группы генов; например, фаги, которым для выживания требуется присутствие бактерии. Эти зависимости позволяют лучше понять механизмы выживания микроорганизма в его экосистеме. Это также первый анализ, прояснивший взаимосвязи между различными биологическими объектами в кишечной микробиоте, что облегчит их обнаружение, выделение и культивирование.

Это исследование проливает беспрецедентный и очень подробный свет на микробные сообщества человека. Разработанный метод позволяет значительно проще анализировать гены кишечной микробиоты; теперь можно изучать всего несколько тысяч генетических элементов, или сотни видов, вместо миллионов генов, составляющих метагеном. Метод также значительно повышает надёжность и точность статистического анализа.