Роль Университета Индианы в проекте "Микробиом человека": история битвы бактерий с вирусами в организме
Исследователи из Университета Индианы провели самый глубокий и разнообразный генетический анализ защитных систем, которые триллионы микроорганизмов в теле человека используют для отражения вирусов. Работа входит в сборник из 16 статей, опубликованных Консорциумом проекта "Микробиом человека" — инициативы Национальных институтов здоровья (NIH) по картированию нормального микробного состава здоровых людей.
Под руководством доцента информатики и вычислительной техники IU Блумингтон Юйчжэня Е команда биоинформатиков и биологов реконструировала массивы кластеров регулярно расположенных коротких палиндромных повторов — CRISPR — которые функционируют как иммунная система для бактерий, играющих жизненно важную роль в здоровье человека. Между геномными повторами в локусах CRISPR находятся короткие фрагменты чужеродной ДНК, называемые спейсерами. Они хранят историю прошлых столкновений с внешними захватчиками, такими как плазмиды и бактериофаги (вирусы, инфицирующие бактерии), и позволяют бактериям бороться с уже знакомыми вирусами.
"Изучая CRISPR и их последовательности, мы задаем те же вопросы, что и об инфекциях у людей и животных: вырабатывают ли индивиды антитела к конкретному вирусу? Если да, мы знаем, что они подвергались воздействию этого вируса. Изучая последовательности CRISPR, мы узнаем, какие вирусы инфицировали разные виды бактерий в конкретной среде".
Бактериофаги — самая распространенная форма жизни на планете, и они находятся в постоянной "гонке вооружений" с бактериями, которые в теле человека превосходят по числу человеческие клетки в 10 раз. Ученые хотят лучше понять, как микробы — группа, вносящая больший вклад в гены, ответственные за выживание человека, чем сам человек — сражаются с вирусами.
Используя стратегию таргетной сборки для реконструкции массивов CRISPR, которые иначе невозможно идентифицировать из сборок цельного метагенома, команда определила распределение 64 известных и 86 новых типов CRISPR (на основе последовательностей повторов CRISPR) из 751 набора данных дробовика (содержащих 3,5 терабайта геномных последовательностей) микробной ДНК, выделенной от 242 здоровых добровольцев из США, участвовавших в проекте.
Проект "Микробиом человека" собрал образцы тканей с 15 участков тела у 129 мужчин и с 18 участков у 113 женщин, с взятием до трех проб изо рта, носа, кожи и нижнего кишечника каждого добровольца, а также трех вагинальных участков у женщин. Весь консорциум включал 200 исследователей почти из 80 университетов и институтов, а сегодняшний выпуск данных — результат пяти лет работы и инвестиций в $173 млн.
Команда IU подтвердила, что использование таргетной сборки позволило получить более длинные массивы CRISPR и идентифицировать больше спейсеров для анализа эволюции CRISPR. Например, CRISPR SmutaL36 у Streptococcus наблюдался в 38 из 751 набора данных при сборке цельного метагенома, но таргетная сборка выявила SmutaL36 в 386 наборах. Для 142 из 150 CRISPR их следы были обнаружены в большем числе наборов данных с помощью таргетной сборки по сравнению со сборкой цельного метагенома, а для 36 CRISPR они были обнаружены как минимум в 10 раз чаще.
"Мы знаем, что CRISPR, адаптированные к вирусу или другому инфекционному агенту, чрезвычайно важны для несущих их бактерий: они живут или умирают. Но мы не понимаем, как это приводит к изменениям во всей биологии индивида".
Изучая тонкие различия в эволюции CRISPR-защиты, команда обнаружила, что в одном случае с известными стрептококковыми CRISPR во рту (где таргетная сборка выявила 8000 уникальных спейсеров) большинство спейсеров были общими для одного и того же участка ротовой полости при повторном отборе у одного индивида, тогда как разные участки ротовой полости у одного человека делили значительно меньшим числом CRISPR. У разных индивидов почти не было общих спейсеров.
Команда обнаружила специфичный для кожи CRISPR (PacneL29) у Propionibacterium acnes — единственный специфичный для кожи CRISPR, найденный в наборах данных проекта. P. acnes связана с кожным заболеванием акне, что является одним из примеров сложного взаимодействия между хозяином и бактериями. Хотя у большинства людей есть эти бактерии, акне есть не у всех.
"В целом, эта работа демонстрирует применение CRISPR для отслеживания вирусного воздействия на индивидов. И она указывает на важность эффективной идентификации и характеристики локусов CRISPR для изучения динамической экологии микробиомов".
Отсутствие общих спейсеров между индивидами, вероятно, отражает разное индивидуальное вирусное воздействие и указывает на постоянство битвы между бактериями и вирусами: бактерии адаптируются к вирусам, а вирусы находят новые способы избежать CRISPR-защиты.
"Один из постоянных выводов проекта — люди действительно уникальны по балансу бактерий, населяющих их тела. Массивы CRISPR могут быть уникальной характеристикой индивида в определенное время, поэтому мы можем использовать изменения спейсеров как исторические маркеры. Мы также могли бы использовать локусы CRISPR как новую молекулярную "отпечатка пальца" для идентификации и отслеживания людей в судебных целях".
В более широком смысле ученые хотят использовать CRISPR для отслеживания экологии микробиома человека. Как отметил Е, они с нетерпением ждут новых наборов данных — особенно данных от образцов, взятых у одного и того же человека в течение месяцев и лет.
"Из того, что мы видели в лаборатории, массивы CRISPR могут меняться быстро. Можно утверждать, что ученые часто узнают больше всего из долгосрочных наблюдений, отслеживающих изменения на конкретных участках".