Микробиом кишечника оказался более «заразным», чем считалось: скрытые популяции бактерий связаны с болезнями

Ученые обнаружили скрытые популяции внутри распространенных видов кишечных бактерий, некоторые из которых связаны со старением, воспалительными заболеваниями кишечника, колоректальным раком и диабетом 2 типа. Выявление этих конкретных штаммов может сделать диагностику и лечение на основе микробиома гораздо более точными.

В кишечнике человека обитают триллионы микроорганизмов (микробиом), которые помогают формировать пищеварение, иммунную функцию и метаболизм. Исследователи под руководством Венского университета обнаружили, что многие виды кишечных бактерий устроены сложнее, чем кажется на первый взгляд.

Используя аналитическую стратегию, известную как «обратная экология», команда показала, что отдельные виды бактерий могут содержать несколько эволюционно различных популяций, каждая из которых адаптирована к разным условиям внутри кишечника. Некоторые из этих популяций были связаны с пожилым возрастом, хроническими воспалительными заболеваниями кишечника, колоректальным раком и диабетом 2 типа.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, могут помочь ученым выявить более точные биомаркеры микробиома и в перспективе поддержать разработку методов лечения, нацеленных на конкретные популяции бактерий, а не на целые виды.

Взгляд за пределы видов бактерий

Большинство исследований микробиома группируют бактерии по видам или по широкому генетическому сходству. Эти категории полезны, но они могут упускать важные различия между популяциями, адаптированными к разным условиям внутри человеческого организма. Это затрудняет определение того, какие бактерии действительно связаны с заболеваниями, какие просто присутствуют случайно, а какие могут оказывать защитное действие.

Поэтому исследователи задались вопросом, можно ли выявить более биологически значимые группы бактерий, ища признаки адаптации и специализации внутри кишечника.

Отслеживание эволюции по генетическим данным

Команда изучила тысячи изолятов бактерий, собранных из кишечника человека, а также большие объемы метагеномных данных людей из разных стран, возрастных и здоровьесберегающих групп. Метагеномные данные включают полную генетическую информацию микробных сообществ в образце.

Для анализа этих данных исследователи разработали биоинформатический метод, основанный на «обратной экологии» — подходе, использующем геномную информацию для вывода о том, как организмы адаптировались к конкретным средам. Цель состояла в том, чтобы выявить генетические сигнатуры, показывающие, что определенные популяции бактерий успешно адаптировались к специфическим экологическим нишам в кишечнике.

Скрытые линии внутри знакомых кишечных бактерий

Особенно важной подсказкой стали признаки так называемых «полногеномных селективных волн». Они возникают, когда особь получает полезную мутацию, дающую ей преимущество над близкородственными особями, что позволяет ее потомкам стать доминирующими. Этот процесс снижает генетическое разнообразие внутри успешной популяции и может создавать группы, высоко сходные как по происхождению, так и по биологической функции, что облегчает их отличие от соседних популяций.

Анализ показал, что многие хорошо известные виды кишечных бактерий на самом деле делятся на несколько различных эволюционных линий. Эти популяции, по-видимому, лучше приспособлены к разным условиям в кишечнике.

«Если не просто подсчитывать виды, а учитывать эволюционную адаптацию, можно гораздо точнее определить биологически значимые единицы в микробиоме», — говорит ведущий автор Сяоцянь Энни Юй из Центра микробиологии и наук об окружающей среде Венского университета. «Даже внутри одного вида бактерий некоторые популяции встречаются чаще других при определенных заболеваниях. Когда все они рассматриваются вместе, это часто остается скрытым».

Кишечные бактерии могут распространяться между континентами

Исследователи также обнаружили доказательства того, что особенно конкурентоспособные популяции бактерий могут быстро распространяться на большие географические расстояния. В некоторых случаях эти популяции, по-видимому, расширялись по континентам всего за несколько десятилетий. Подобные закономерности ранее наблюдались в основном среди патогенов, что делает это открытие особенно примечательным для обычных кишечных бактерий.

«Наши результаты показывают, что кишечные бактерии более динамичны, чем считалось ранее. Хорошо адаптированные штаммы могут распространяться по всему миру и занимать новые экологические ниши», — говорит руководитель исследования Мартин Ф. Польц из Венского университета.

Результаты показывают, что на микробиом кишечника могут влиять не только диета, лекарства и образ жизни. Передача между людьми также может быть важной силой, влияющей на то, какие популяции бактерий закрепляются и распространяются.

На пути к более точной микробиомной медицине

Это открытие может изменить подход исследователей к связи кишечных бактерий с заболеваниями. Вместо того чтобы рассматривать целый вид бактерий как единое целое, ученые смогут сосредоточиться на конкретных популяциях, наиболее значимых для здоровья. Такая точность может улучшить поиск биомаркеров и со временем привести к более адресным методам лечения, которые смогут стимулировать полезные штаммы бактерий, подавляя популяции, связанные с вредными эффектами.

Исследователи планируют определить, какие гены разделяют эти популяции бактерий и какие биологические функции обеспечивают эти генетические различия.