Статистические достижения помогают раскрыть тайны человеческого микробиома
Достижения в области статистики помогают раскрыть тайны человеческого микробиома — огромной коллекции микроорганизмов, живущих в теле человека и на нем. Об этом заявила статистик и эксперт по биомам Кэтрин Поллард на сессии Joint Statistical Meetings (JSM 2015) в Сиэтле.
Поллард, старший научный сотрудник Gladstone Institutes и профессор эпидемиологии и биостатистики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, выступила с докладом "Оценка таксономического и функционального разнообразия в метагеномах, полученных методом дробовика".
"Хотя мы только начинаем понимать сложную роль микробов в биологии человека, ясно, что специфические изменения в микробной флоре связаны с болезнями хозяина — а иногда вызывают или излечивают их", — пояснила Поллард.
По ее словам, некоторые наиболее подтвержденные связи — с аутоиммунными заболеваниями, частота которых растет в США, возможно, из-за использования антибиотиков и недостаточного контакта с разнообразными микробами в детстве. Эта "гигиеническая гипотеза" предполагает, что риски для здоровья могут проистекать из различий в составе микробиома между людьми.
Более того, один и тот же вид микробов у двух разных людей может иметь менее 50% общих генов. Эти различия связаны с функциональными возможностями микробных сообществ, включая гены, отвечающие за метаболизм сахаров, биосинтез и двухкомпонентные системы.
"Два человека с одинаковыми видами бактерий в кишечнике могут иметь совершенно разные взаимодействия с этими бактериями, потому что разные штаммы просто не делают одно и то же", — сказала Поллард.
Поэтому важно определять не только типы микробов в образце, но и генетический состав каждого штамма. Однако это представляет собой серьезную проблему Big Data, требующую развития статистических методов и нового программного обеспечения для точного анализа метагеномных данных.
"Метагеномное секвенирование всей ДНК в микробном образце из человеческого тела позволило нам оценить обилие конкретных микробов и микробных генов. Но, как и любая новая технология, метагеномика имеет множество систематических ошибок и погрешностей, которые необходимо корректировать аналитически, прежде чем мы сможем точно сравнивать данные между образцами", — отметила Поллард.
Одной из самых больших проблем является то, что многие микробные штаммы у конкретного человека никогда не секвенировались. Даже в хорошо изученном микробиоме кишечника человека, по оценкам, в среднем 43% обилия видов не могли быть определены доступными методами анализа с использованием микробных референсных баз данных.
Для решения этой и других проблем Поллард и Стивен Найфанч разработали набор нового статистического программного обеспечения (MicrobeCensus, ShotMAP и PhyloCNV) для быстрой и точной оценки присутствия и функции микробов в метагеноме. Их методы позволили точно количественно определять конкретные штаммы в микробиоме человека, используя короткие прочтения длиной всего 50 пар оснований.
Используя новые инструменты, лаборатория Поллард проверила известное утверждение, что у людей с ожирением соотношение бактерий типа Bacteroidetes к бактериям типа Firmicutes ниже, чем у худых. Хотя научная литература и СМИ считали эту связь значимой, несколько отчетов ставили ее под сомнение.
Мета-анализ данных нескольких исследований не выявил значимой связи между индексом массы тела (BMI) и относительным обилием каких-либо бактериальных видов.
Новые статистические достижения позволят ученым проводить другие формы исследований микробиома, например, выявлять виды микробов и гены, которые являются биомаркерами начала болезни, или разрабатывать лекарства, нацеленные на микробиом.
"Микробиом явно играет роль в биологии хозяина, но эта роль сложна и должна анализироваться в контексте диеты, лекарств и генетики хозяина", — заключила Поллард.