Industrializace je spojena se zvýšenou mírou horizontálního přenosu genů v lidském mikrobiomu

Hlavní text

Střevní bakterie žijící v symbióze s lidmi zažili vysokou míru horizontální přenos genů (HGT) evoluční čas, alespoň přes jedinců v průmyslově vyspělých zemích 1,2. Zatím zůstává nejasné, jak sazby HGT porovnat typické bakteriální dobu pobytu v lidském střevě, a jak životní styl lidského hostitele by mohly mít vliv na rychlost HGT a typ geny přeneseny.

Pokud lhůtě přenosu je pomalejší než v-host dobu pobytu, pak jednotlivé microbiomes bude především získat nové funkce prostřednictvím získávání nových kmenů. Nicméně, pokud je rychlost přenosu je dostatečně rychlý, pak mikrobiomu, který je „stabilní“, pokud jde o bakteriální populace 3-5 by se nicméně mohly vyvíjet v reakci na hostitele specifické environmentální odchylky prostřednictvím HGT, možná v reakci na dietu, nebo změny v kulturních praktikách.

specifické příklady ukazují, že HGT se může vyskytnout v rámci jednoho jedince 6-10, zejména pokud existuje silná selekce pro cílové funkce, jako je rezistence na antibiotika 11-13. Ale to, co zlomek druhů v lidském mikrobiomu získali genů z jiných druhů v jejich nejnovější lidského hostitele, a jak se časová osa HGT porovnat časový rámec lidské kolonizace? V naší předchozí studii 1 jsme se zaměřili na HGTs zahrnující sekvence s podobností vyšší než 99% a délce vyšší než 500bp. Za předpokladu, typický molekulární hodiny ~1 SNP/genom/rok 14 a velikost genomu 106 bp, tato kritéria jsou v souladu s transfer události, které se staly mezi 0 a 10 000 lety. Abychom tedy odpověděli na otázku, zda komenzální kmeny běžně získávají novou funkčnost prostřednictvím HGT, jsou zapotřebí přesnější odhady časového harmonogramu pro HGT.

změřit rychlost HGT na kratší lhůty, jsme porovnávali množství pozorován přenos mezi bakterie izolované z téže jednotlivých pozorovaných mezi bakterie z různých jedinců. Předpokládali jsme, že pokud je míra přenosu byl rychle ve srovnání s typickou dobu pobytu bakteriální linie kolonizovat lidské tělo, pak bychom pozorovat vyšší úrovně převodu mezi kmeny izolované ze stejného hostitele. Případně, pokud lhůtě pro převod byl dostatečně delší než lidský život, pak bychom pozorovat podobné úrovně mezi bakterie bez ohledu na to, zda byly izolovány ze stejného hostitele. Zaměřit svou analýzu na nedávné události, podívali jsme se na velké bloky (>10kb) 100% totožné DNA, odpovídající HGT událostí, které nastaly mezi 0 a ~100 lety, i když jsme také potvrzují naše zjištění použití kratších mobilní prvky s délkou větší než 500bp. V této studii, Zaměřujeme se pouze na přenosy mezi bakteriálními druhy, ignorování událostí rekombinace genů uvnitř druhu.

Stávající referenční izolovat genomů 4,15–19 nemohou být použity k testování pro přímý přenos genu mezi dvěma bakterie do lidí, protože téměř všechny tyto kmeny byly izolovány z různých jedinců. Kromě toho byly tyto referenční sbírky odebrány téměř výhradně z průmyslových populací a neodrážejí rozmanitost lidského životního stylu. Proto jsme se analyzovat celý genom 6,188 nově kultivované bakteriální izoláty pomocí stolice odebraných od 34 jedinců v 9 lidské populace po celém světě: Hadza a Datoga v Tanzanii, Beti a Baka populace v Kamerunu, Inuit jednotlivců v Kanadské Arktidě, Sami a finské jednotlivců ve Finsku, a jedinci ze Severních Plání Kmen v Montaně a z oblasti Bostonu v USA; Doplňující Obrázek 1 & Dodatková Tabulka 1 popis životního stylu). Seskupili jsme bakteriální genomy do shluků druhů na základě genomové podobnosti (pomocí Vzdálenosti kaše jako proxy průměrné nukleotidové Identity, viz metody). Tyto genomů představují 253 druhů bakterií přes 6 kmenů, seskupování do 62 známý a 54 neznámé rody (Obrázek 1A & Doplňkové Tabulky 2 & 3 pro kultivaci dat a genomu, sestavy, statistiky). Vzorkované lidské populace měly různé genetické pozadí a velmi odlišný životní styl, od průmyslových po komunity lovců a sběračů. Vzorkovali jsme mnoho bakteriálních izolátů různých druhů u každého jednotlivce, a detekoval tisíce nedávných HGT v našich genomických datech: celkem jsme zachytili 134 958 mobilních prvků napříč různými bakteriálními druhy, a to jak uvnitř, tak mezi lidmi. 57% bakteriálních genomů (3556/6188) bylo zapojeno do alespoň jedné nedávné události HGT (obrázek 1A), což naznačuje, že HGT je v současném lidském střevě na denním pořádku.

Jsme zjistili, že bakteriální druhy párů zařazených do vzorku v lidé jsou více pravděpodobné, že podíl nedávno převedl DNA, než stejné druhy párů odebrány vzorky ze dvou různých osob (počet pozorovaných v-osoba HGT události byl ve srovnání se očekává, že počet událostí, na základě počtu mezi-person akce,, oprava pro druhové složení a nerovnoměrné hloubka odběru vzorků, viz Obrázek 1B, p-hodnota < 2.2×10-16, viz Metody), a tento signál je řízen mnoha různých bakteriálních druhů, pokrývající různé taxonomické skupiny (Obrázek 1A & 1B). Tento výsledek naznačuje, že časový rámec pro HGT je krátký. Přísně vzato, nemůžeme rozlišovat mezi převody, ke kterým došlo u hostitele původu, od převodů, ke kterým mohlo dojít u rodiče hostitele nebo dokonce prarodiče. Nicméně, to je nepravděpodobné, že velký podíl transferů došlo před kolonizace hostitele, protože celková míra HGT je velká ve srovnání s rychlostí dědictví kmenů od rodičů (viz diskuse v Doplňkové Informace). Tyto výsledky jsou robustní s ohledem na podrobnosti naší analýzy: zvýšení HGT frekvence v jednotlivcích je replikován při omezení analýz v rámci každého našeho vzorku populace, nebo při zvažování 5,126,962 mobilní prvky větší než 500bp, které jsou distribuovány přes 98% (6068/6188) z našich genomů (p-hodnota < 2.2×10-16) (Obrázek 1A & Supp Obr. 2 & 3). Společně tyto výsledky naznačují, že HGTs se vyskytují na časových plánů, které jsou dostatečně krátké, aby přetvořit gut komunitních funkcí intenzivně a průběžně během života jednotlivců.

vzhledem k tomu, že frekvence HGT je primárně řízena převody mezi blízce příbuznými organismy, které mají tendenci vyměňovat více genů dohromady než vzdáleně příbuzné druhy, zkoumali jsme frekvenci HGT v rozsahu fylogenetických vzdáleností. Ukázali jsme, že fylogenetické příbuznosti je silný řidič HGTs celkově (více blízce příbuzných druhů přenos více genů, Lineární Smíšené Účinky model fit test, p-hodnota < 2.2×10-16), a že silné obohacení pro převod v rámci jednotlivců ve srovnání s mezi jednotlivci se vyskytuje napříč všemi fylogenetické vzdálenosti (Obrázek 2A), což platí, i když s ohledem na všechny HGTs větší než 500bp (Doplňující Obrázek 4).

po stanovení rychlého časového harmonogramu HGT jsme se dále zeptali, jaké faktory řídí frekvenci výměny genů v lidském střevě. Domnívali jsme se, že dvojice velmi hojný druh v daném ekosystému bude mít vyšší pravděpodobnost, že gen výměnu ve srovnání s páry, zahrnující alespoň jednu nízkou-hojnost druhů, nezávisle na jejich fylogenetické vzdálenosti, i když jsme již dříve argumentoval proti hlavní roli pro hojnost v ovládání HGT frekvence 1. Tato hypotéza nebyla nikdy přímo testována, protože datové sady, které spárovaly hloubkové genomické vzorkování s přesnými odhady hojnosti, dosud neexistovaly. Test hojnosti hypotéza, jsme vytvořili metagenomic data pro vzorky stolice od které jsme měli kultivovaných bakteriálních izolátů, a vypočítaná průměrná množství jednotlivých druhů bakterií uvnitř každého člověka, a to prostřednictvím mapování metagenomic čte proti izolovat genomů (viz Metody). Zjistili jsme, že druhová hojnost je silnou determinantou HGT (Linear Mixed Effects model fit test, p-hodnota = 1.4×10-11), nezávislé na fylogenezi (Obrázek 2B), který je replikován při pohledu na všechny HGTs větší než 500bp (Doplňující Obrázek 5). Hojné bakterie jsou více pravděpodobné, aby se zapojily do HGT s jinými hojné bakterie, což je v souladu s kanonickou mechanismy HGT (např. konjugace, transformace a transdukce 20), které zahrnují mobilní-k-mobilní kontakt nebo přístup k volné DNA v prostředí.

vzhledem k tomu, že HGT je poháněn fylogenetickou vzdáleností a hojností a hojnost je podobná u jedinců v hostitelské populaci 5, předpokládali jsme, že stejné střevní bakteriální druhy si vymění geny mezi jednotlivci. Otestovat tuto hypotézu, porovnali jsme frekvence HGT pro páry bakteriálních druhů sdílené minimálně 4 jednotlivci v naší kohortě USA. Zjistili jsme, že HGT frekvence je homogenní napříč lidí, pro většinu bakteriálních druhů (pozorovaný průměr a směrodatnou odchylku v-osoba HGT frekvencí u všech lidí byl oproti očekávanému rozdělení pomocí náhodného testu s 1000 permutací, p-hodnota < 0.001, Doplňující Obrázek 6). To naznačuje, že základní soubor hojné linií sdílených jedinci v rámci dané populace představuje hlavní sítě genové výměny, která umožňuje bakteriální linií přizpůsobit se společné selektivní tlaky působící v hostitelské populaci.

dále jsme se zeptali, zda Architektura buněčných obálek přispívá k rozdílům ve frekvenci HGT, nezávisle na fylogenezi a hojnosti. Jsme použili referenční Gram barvení údaje pro jednotlivé bakteriální druhy, jako proxy buněčné stěny architektury, aby bylo možné oddělit gram-pozitivní monoderm bakterie (jeden cytoplazmatické membrány a silnou vrstvou peptidoglykanu) z gram-negativní diderm bakterie (dvě membrány obklopující tenkou vrstvou peptidoglykanu). Zjistili jsme, že diderm bakterie se zapojily častěji v HGTs než monoderm bakterie, nezávisle na fylogenezi a hojnosti (p-hodnota = 1×10-3, Obrázek 2C), které je také pozorován při zvažování všech HGTs větší než 500bp (Doplňující Obrázek 7). Zajímavé je, že HGT frekvence mezi dvěma diderm bakterie byla podobná HGT frekvence mezi monoderm a diderm bakterií, což naznačuje, že diderm bakterie mají převodu mechanismy, které jim umožňují sdílet DNA materiálu s mnohem širší spektrum genetických pozadí.

Přechod z non-industriální k industriální životní styl je spojena s drastické změny v mikrobiomu rozmanitost a složení 21-23. Je však málo známo o tom, jak tyto přechody životního stylu ovlivnily vzorce výměny genů v mikrobiomu lidského střeva.

test, zda lidská populace s industrializovaného životního stylu mají různé HGT vzory, když ve srovnání s populací s non-industrializované životní styl, jsme se podívali na druhy párů v našem souboru údajů, které jsou sdíleny jedinci žijící v USA (Boston area) a osob žijících v jedné ze čtyř populací, ze které máme největší výběr vzorků bakteriálních druhů: Hadza (lovci-sběrači), Datoga (pastevci), Beti (zemědělce) a Baky (v současné době přechodu z lovecko-sběračské k rolník životní styl). Pro každý bakteriální druh dvojici, vypočítáme průměr HGT frekvence u lidské populace úrovně, při pohledu na sdílené shodné (100%) DNA bloků, které jsou větší než 500bp. Překvapivě jsme zjistili, že druhy párů zařazených do vzorku v USA průmyslových populace vyměňovat geny častěji, než když jsou nalezeny v non-industrializované populace (počet pozorovaných non-industrializované populace HGT události byl ve srovnání se očekává, že počet událostí, na základě počtu průmyslových populace události, oprava pro druhové složení a nerovnoměrné hloubka odběru vzorků, p-hodnota < 2.2×10-16, viz Metody) (Obrázek 3A). Tento efekt platí při omezení analýzy na každou neindustrializovanou populaci individuálně ve srovnání s USA (obrázek 3B). Dohromady tyto výsledky poprvé ukazují, že hostitelský životní styl formuje frekvence přenosu genů v mikrobiomu lidského střeva. Tyto výsledky také naznačují, že přechod k industriální životní styl vyústily v drastické zvýšení genové transfery do střevního mikrobiomu, případně v důsledku zvýšeného životního poruch střevní bakteriální populace.

Jsme si řekli, že pokud HGT dochází na velmi krátký časový harmonogram, pak typ geny jsou předány, by mělo odrážet unikátní selektivní tlaky, spojené s různými jednotlivých hostitelů a skupin obyvatel 24. Pomocí genové transfery, zahrnující druhy dvojici našli v USA populace a buď Hadza, Beti nebo Datoga národy, jsme první ve srovnání široký funkční kategorie profily a zjistil, že oni se lišily napříč životní styl (Obrázek 4A, chi-square Goodness-of-fit test, p-hodnoty < 0.001).

to, Že ukázal, že široké funkční rozdíly napříč typy genů převedeny v různých populacích, jsme se zaměřili na geny zapojené do funkce, že jsme si mysleli, že se mohou lišit napříč populací, včetně genů zapojených v mobilní prvky (phage, plazmid, transposon), antibiotické rezistence a sacharidů-ponižující (CAZyme) funkce. Zjistili jsme, že střevní bakterie v průmyslových populacích vyměnili vyšší relativní množství plasmidu, transposon a phage prvky (Obrázek 4B, dvou rozměrů, Z-testy, korekce p-hodnoty < 0.001), v souladu s celkově vyššími hladinami HGT. Hadza a Beti jedinců, kteří konzumují velké množství non-stravitelné vlákna, host střevní bakterie, které výměnu CAZyme geny na vyšších frekvencích, než jedinci žijící v USA (Obrázek 4B). Velmi vysoké přenosové frekvence genů rezistence na antibiotika byly také nalezeny ve střevních mikrobiomech jedinců Datoga. Datoga jsou pastevci, chov především dobytek, a konzumovat vysoké množství masa a mléčných výrobků ze svých zvířat. Stejně jako ostatní pastevečtí zemědělci v severní Tanzanii podávají antibiotika svým stádům 25,26. Naše výsledky naznačují, že tyto nedávné zemědělské postupy se rychle změnil fitness krajiny v útrobách Datoga lidí a již ovlivnily vzory genové transfery v rámci jejich microbiomes. Jako využití komerčních antimikrobiálních látek je nyní rozšířený mezi pastevecké populace v rozvojových zemích, se mohou vyskytnout podobné účinky v mnoha populacích po celém světě s širší dopad na šíření antimikrobiální rezistence mimo kliniku.

Četné studie zkoumali, jak změny ve stravě a klinické zásahy, jako jsou fekální mikroflóry transplantace 27,28 vliv složení střevního mikrobiomu. Odvodit mechanistické porozumění z kompozičních změn je však obtížné. Naše studie ukazuje, že HGT ve střevním mikrobiomu odrážejí jedinečné selektivní tlaky každého lidského hostitele. Tak, HGT vzory pak mohou být použity k identifikaci selektivní síly působící v jednotlivých a získat více mechanistickému chápání těchto událostí. Naše výsledky také ukazují, že sekvenování celého genomu dat poskytuje informace o osobní mikrobiomu funkce na úrovni přesnosti, která populární přístupy, jako je 16 amplikonu a metagenomic sekvenování, nemůže dosáhnout. Konečně, vysoká míra HGT v lidském střevě, je pravděpodobné, že nedávný vývoj v reakci na průmyslové životní styl, který byl dále doprovázen drastické změny v povaze genů vyměňovány. Možná ještě plně neoceníme důsledky těchto posunů frekvence a funkce HGT na lidské zdraví.