Как эволюция формирует различные популяции бактерий в кишечнике человека

В человеческом кишечнике живёт сложная экосистема из триллионов микроорганизмов — микробиом, влияющий на пищеварение, иммунитет и обмен веществ. Исследователи из Венского университета применили метод «обратной экологии», чтобы показать, что многие известные виды кишечных бактерий включают несколько эволюционно обособленных групп, адаптировавшихся к разным условиям среды.

Некоторые такие популяции связаны с возрастными изменениями, хроническими воспалительными заболеваниями кишечника, колоректальным раком и сахарным диабетом второго типа. Статья с результатами, опубликованная в журнале Nature, способна содействовать поиску биомаркеров и в перспективе позволить создавать более точные методы терапии.

При изучении микробиома обычно используют классификацию бактерий по видам или генетически близким группам. Хотя это удобно, такой подход не всегда отражает адаптированные к конкретным условиям популяции. В итоге не всегда понятно, какие бактерии связаны с заболеваниями, а какие — случайные либо полезные. Поэтому учёных интересует, возможно ли выделить более точные биологические единицы, появившиеся в результате адаптации и занимающие разные экологические ниши в кишечнике.

Команда проанализировала тысячи бактериальных изолятов и обширные метагеномные данные — полную генетическую информацию микробных сообществ — от людей разных стран, возрастов и состояния здоровья. Используя биоинформатику в рамках «обратной экологии», учёные искали генетические признаки успешной адаптации.

Особое внимание привлёк феномен «полногеномного селективного сдвига» — когда особь приобретает полезную мутацию и вытесняет близкородственных конкурентов.

Это снижает разнообразие, но формирует совершенно однородные с точки зрения родства и функций популяции, выступающие в данных как отдельные группы.

Исследование показало, что многие виды кишечных бактерий состоят из таких групп, которые различаются по условиям, в которых они лучше всего себя проявляют. «Если учитывать эволюционную адаптацию, а не только видовую принадлежность, можно точнее выделять биологически значимые единицы микробиома,» — отмечает ведущий автор Сяоцянь Энни Ю из Центра микробиологии и экологии Венского университета. По её словам, даже внутри одного вида одни популяции тесно связаны с определёнными заболеваниями, тогда как другие — нет, и при общем рассмотрении это часто остаётся незамеченным.

Также было выявлено, что конкурентоспособные популяции способны быстро распространяться между континентами — в некоторых случаях за десятилетия. Ранее подобное наблюдали в основном у патогенов.

Руководитель исследования Мартин Ф. Польц из Венского университета подчёркивает, что кишечные бактерии оказываются более динамичными, чем считалось: «Хорошо адаптированные штаммы могут занимать новые экологические ниши по всему миру.» Это указывает на то, что микробиом формируется не только из-за питания, лекарств и образа жизни, но и благодаря передаче бактерий от человека к человеку.

Работа открывает новые пути для изучения микробиома. Вместо связывания с болезнями целых видов можно фокусироваться на конкретных популяциях, играющих ключевую роль. Это упростит поиск биомаркеров и в будущем позволит разрабатывать точечные методы лечения — стимулировать полезные штаммы или подавлять вредные. В планах исследователей — выявить гены, которые отличают эти популяции, и понять связанные с ними биологические функции.

[Фото: kjpargeter / Magnific.com]