Исследование геномов микробных сообществ полости рта человека

Бактерии часто демонстрируют выраженную биогеографию — одни виды обильны в конкретных местах, а в других отсутствуют. Это ставит вопросы для терапии и пробиотиков: как бактерии попадают «не туда»? Как вернуть нужные бактерии в нужное место, если биогеография нарушена?

Главное препятствие — крошечные размеры и огромное разнообразие бактериальных популяций, что затрудняет понимание, какие именно подгруппы живут где и какие гены или метаболические способности позволяют им процветать в «неправильных» местах.

В новом исследовании, опубликованном в Genome Biology, учёные из Гарвардского университета изучили оральный микробиом человека и обнаружили значительную вариабельность бактериальных субпопуляций в разных зонах рта.

«Нас, как микробных экологов, fascinates, как бактерии могут делить любую среду обитания на ниши, но нам, людям, также innately интересно, как микробы распределяются в нашем теле», — сказал ведущий автор Дэниел Р. Уттер, докторант кафедры организменной и эволюционной биологии Гарварда.

Современные методы секвенирования и биоинформатики предлагают новые пути для изучения сложности бактериальных сообществ. Уттер и Коллин Кавано, профессор биологии Гарварда, совместно с учёными из Морской биологической лаборатории в Вудс-Хоуле, Чикагского университета и Института Форсайта применили эти передовые подходы, чтобы лучше понять оральный микробиом.

«Рот — идеальное место для изучения микробных сообществ, — считает соавтор А. Мурат Эрен, доцент кафедры медицины Чикагского университета. — Это не только начало ЖКТ, но и особая, небольшая среда с достаточным микробным разнообразием, чтобы задавать интересные вопросы об эволюции микробиомов».

В разных зонах рта обитают специфичные микробы. Например, микробы на языке сильно отличаются от микробов зубного налёта. «Микробы вашего языка больше похожи на микробы языка другого человека, чем на микробы вашего горла или дёсен!» — сказал Эрен.

Команда проанализировала публичные базы данных, загрузила 100 геномов, представляющих четыре вида бактерий, обычных для рта (Haemophilus parainfluenzae и три вида рода Rothia), и использовала их как референсы для изучения их родственников, взятых из образцов сотен добровольцев проекта «Микробиом человека» (HMP).

«Мы использовали эти геномы как отправную точку, но быстро вышли за их рамки, чтобы исследовать общую генетическую вариацию среди триллионов бактериальных клеток в наших ртах. Ведь в конечном итоге нам интересна именно она, а не несколько произвольно отсеквенированных геномов», — пояснил Уттер.

Используя недавно разработанный подход — метапангеномику (сочетание пангеномики, изучающей все гены родственных бактерий, и метагеномики, изучающей общую ДНК сообщества), — исследователи провели углублённый анализ геномов микробов и сделали неожиданное открытие.

«Мы обнаружили огромную вариабельность, — сказал Уттер. — Но нас поразила закономерность этой вариабельности в разных частях рта: specifically, между поверхностью языка, щёк и зубов».

В пределах одного вида бактерий учёные нашли distinct генетические формы, чётко ассоциированные с одной конкретной зоной рта. Во многих случаях команда смогла определить handful генов, которые могут объяснить адаптацию конкретной бактериальной группы к своей среде обитания. Метод также позволил выявить, чем свободноживущие бактерии из рта людей отличаются от своих лабораторных родственников.

«Разрешение этих техник — через прямое сравнение геномов "одомашненных" и "диких" бактерий — позволяет dissect эти различия ген за геном, — отмечает Кавано. — Мы также смогли идентифицировать новые бактериальные штаммы, родственные, но отличные от культивируемых».

«Определив сильных кандидатов среди бактерий, которые могут определять адаптацию к конкретной среде, мы хотели бы проверить эти гипотезы экспериментально», — сказала Кавано. Эти находки потенциально могут стать ключом к созданию targeted пробиотиков, где на основе знаний о требованиях среды обитания можно будет сконструировать полезные микробы для заселения конкретной ниши.

«Рот так легко доступен, что над его бактериями работают очень давно», — сказала соавтор Джессика Марк Уэлч, научный сотрудник Морской биологической лаборатории.

«Каждая среда, которую мы изучаем, имеет эти сложные бактериальные сообщества, но почему? — говорит Марк Уэлч. — Понимание причин этой сложности и взаимодействия бактерий поможет нам лучше понять, как исправить сообщество, вредящее здоровью, подскажет, какие микробы нужно удалить или вернуть».

Это и подобные исследования могут дать новое понимание роли оральных микробов в здоровье человека. «Возможность идентифицировать specific гены, стоящие за адаптацией к среде обитания, была своего рода "святым Граалем" в микробной экологии, — сказал Уттер. — Мы очень рады нашему вкладу в эту область!»