Ускоренная эволюция может помочь бактериям закрепиться в микробиоме кишечника

Микробы в нашем желудочно-кишечном тракте

Куда бы вы ни пошли, вы несёте в себе популяцию микробов в желудочно-кишечном тракте, которая превосходит по численности клетки, составляющие ваше тело.

Этот микробиом имеет важное значение для здоровья кишечника, мозга и иммунной системы. Некоторые микроорганизмы производят витамины, антиоксиданты, питательные вещества и другие полезные соединения. Даже те, чьё прямое воздействие кажется нейтральным, занимают пространство, которое усложняет проникновение вредных микробов.

Роль микробиома в здоровье

Всё ещё многое предстоит узнать о микробиоме кишечника, но его связь со здоровьем указывает на потенциал для управления этим сообществом для борьбы с болезнями. Новые открытия исследовательской группы в Институте наносистем Калифорнии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (CNSI) предлагают многообещающий шаг в этом направлении.

Ускорение эволюции микробов

Учёные исследовали известный механизм, который изменяет гены в микробах под действием так называемых ретроэлементов, генерирующих разнообразие (DGR). DGR несут коллекции генов, которые вместе создают случайные мутации в определённых горячих точках бактериальных геномов. По сути, они ускоряют эволюцию своих хозяев, позволяя микробам меняться и адаптироваться.

DGR чаще встречаются в микробиоме кишечника, чем в любой другой среде на Земле, где их измеряли. Однако их роль в кишечнике до сих пор не была изучена.

В исследовании, опубликованном в журнале Science, команда изучила бактерии, обычно встречающиеся в здоровом пищеварительном тракте. Они обнаружили, что примерно у четверти этих микробов DGR нацелены на гены, жизненно важные для закрепления и роста колоний в новых условиях.

Исследователи также продемонстрировали, что DGR хорошо перемещаются: они могут передаваться от одного штамма бактерий к другим поблизости, а младенцы наследуют DGR от своих матерей, которые, по-видимому, помогают запустить микробиом кишечника.

«Одна из реальных загадок микробиома — это то, как именно бактерии колонизируют нас», — сказал старший автор Джефф Ф. Миллер, директор CNSI, обладатель кафедры Фреда Кавли в области наук о наносистемах и профессор микробиологии, иммунологии и молекулярной генетики в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Это высокодинамичная система, тесно связанная с физиологией человека, и эти знания о DGR однажды могут быть применены для создания полезных микробиом, которые способствуют укреплению здоровья».

Изменения в микробиоме кишечника

Изменения в микробиоме кишечника были связаны с воспалительными заболеваниями кишечника, болезнью Крона, метаболическим синдромом, раком толстой кишки и, в более отдалённой перспективе, такими состояниями, как тревожность, депрессия и аутизм. Увеличение количества болезнетворных бактерий у детей связано с более высоким долгосрочным риском развития хронических аутоиммунных заболеваний.

«Развивающийся микробиом связан с нашей развивающейся иммунной системой, и это определяет нашу жизнь до конца дней», — сказал первый и соответствующий автор Бен Макадангданг, неонатолог в UCLA Health и доцент педиатрии в Школе медицины Дэвида Геффена в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Когда микробиом нарушается, мы наблюдаем более высокие показатели хронических заболеваний в более позднем возрасте. Это даёт нам большие возможности для формирования микробиома кишечника у младенцев, чтобы предотвратить эти риски».

DGR и их роль в эволюции микробов

DGR были впервые обнаружены в лаборатории Миллера. В одном месте генома, которое варьируется от случая к случаю, DGR заменяют букву A из четырёхбуквенного алфавита, составляющего ДНК, добавляя C, G или T в этом месте.

Многие DGR нацелены на гены, которые определяют форму связывающих белков — то есть белков, которые соединяются с другими молекулами, как пара кусочков пазла. Этот тип связывания является фундаментальным механизмом, с помощью которого клетки взаимодействуют с окружающим миром. Изменения в связывающих белках могут расширить их репертуар для взаимодействия, поэтому DGR ускоряют эволюцию таким образом, что расширяют возможности микробов.

Эта система может быть сравнима с более знакомым методом, с помощью которого биология ремикширует белки: производством новых антител иммунной системой человека для расширения списка распознаваемых ею захватчиков. Но, в отличие от этого, каждая иммунная клетка, рекомбинирующая антитела, делает это только один раз, в то время как DGR могут вводить мутации снова и снова в одной и той же клетке.

Исследование DGR в микробиоме кишечника

Миллер и его коллеги изучили геном бактерий, часто встречающихся в микробиоме кишечника, из рода Bacteroides. В этой популяции DGR были в изобилии, в среднем по одному на штамм, а некоторые штаммы несли до пяти. Они также были разнообразными, было идентифицировано более 1100 уникальных DGR.

Исследователи сосредоточились на подмножестве DGR, нацеленных на гены для волосоподобных придатков, которые выступают из Bacteroides, называемых пили. Пили действуют вместе, как волокна на липучке, позволяя бактериям закрепляться на других микробах или на поверхностях. DGR работали в основном для диверсификации белков, которые помогают пили прикрепляться. Это говорит о том, что DGR играют важную роль в адаптации Bacteroides к новым местам, включая уникальную среду микробиома кишечника каждого человека.

«Мы думаем, что DGR позволяют бактериям быстро менять то, к чему могут прикрепляться их пили», — сказал Макадангданг. «Бактерия может быть оптимизирована для кишечника одного человека, но если она попытается колонизировать кого-то другого, она столкнётся с совершенно другой средой. Нахождение чего-то нового для связывания даёт бактериям преимущество, и мы думаем, что именно поэтому мы видим так много DGR в микробиоме».

Исследование также показало, что DGR могут переходить от одного штамма бактерий к другому посредством процесса, называемого горизонтальным переносом. Таким образом, микробы, по-видимому, делятся своей адаптивной суперсилой внутри более крупного сообщества, окружающего их.

Чтобы изучить, как DGR влияют на развитие микробиома кишечника у новорождённых, команда проанализировала микробиомы матерей и их детей в течение первого года жизни. Определённые DGR были переданы от матери к ребёнку. У потомства исследователи определили изменения в ДНК белков-пили Bacteriodes, что указывает на то, что DGR изменили микробы, чтобы помочь им обосноваться в новом доме.

Это открытие предполагает, что DGR являются одним из механизмов, важных для формирования развивающегося микробиома.

Исследователи планируют углубиться в изучение DGR и микробиома кишечника с помощью лабораторных моделей и наблюдательных исследований на людях. Они считают, что идеи, представленные в текущем исследовании, могут стать отправной точкой для будущих открытий, которые улучшат здоровье человека или даже приведут к новым методам генной инженерии.

Источник