La industrialización se asocia con tasas elevadas de transferencia horizontal de genes en el microbioma humano

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Las bacterias intestinales que viven en simbiosis con los seres humanos han experimentado altas tasas de transferencia horizontal de genes (TGH) a lo largo del tiempo evolutivo, al menos entre individuos en países industrializados 1,2. Sin embargo, no está claro cómo se comparan las tasas de TGH con el tiempo de residencia bacteriana típico en el intestino humano, y cómo el estilo de vida del huésped humano podría influir en la tasa de TGH y el tipo de genes transferidos.

Si la escala de tiempo de transferencia es más lenta que el tiempo de residencia dentro del huésped, los microbiomas individuales adquirirán principalmente nuevas funciones a través de la adquisición de nuevas cepas. Sin embargo, si la tasa de transferencia es lo suficientemente rápida, entonces un microbioma que es «estable» en términos de poblaciones bacterianas 3-5 podría evolucionar en respuesta a perturbaciones ambientales específicas del huésped a través de la HGT, tal vez en respuesta a la dieta o cambios en las prácticas culturales.

Ejemplos específicos demuestran que la TGH puede ocurrir dentro de un solo individuo 6-10, especialmente cuando hay una selección fuerte para las funciones diana, como la resistencia a los antibióticos 11-13. Pero, ¿qué fracción de especies en el microbioma humano han adquirido genes de otra especie en su huésped humano más reciente, y cómo se compara la escala de tiempo de la HGT con la escala de tiempo de la colonización humana? En nuestro estudio anterior 1, nos centramos en los TCG con secuencias con similitud superior al 99% y longitud superior a 500 pb. Al asumir un reloj molecular típico de ~1 SNP / genoma / año 14 y un tamaño del genoma de 106 bp, estos criterios son consistentes con eventos de transferencia que ocurrieron entre 0 y 10,000 años atrás. Por lo tanto, para responder a la pregunta de si las cepas comensales adquieren rutinariamente una nueva funcionalidad a través de la TGH, se necesitan estimaciones más precisas de la escala de tiempo para la TGH.

Para medir la tasa de TGH en escalas de tiempo más cortas, comparamos la cantidad de transferencia observada entre bacterias aisladas del mismo individuo con la observada entre bacterias de diferentes individuos. Planteamos la hipótesis de que si la tasa de transferencia era rápida en comparación con el tiempo de residencia típico de un linaje bacteriano que colonizaba el cuerpo humano, entonces observaríamos niveles más altos de transferencia entre cepas aisladas del mismo huésped. Alternativamente, si la escala de tiempo para la transferencia era lo suficientemente más larga que una vida humana, entonces observaríamos niveles similares entre bacterias independientemente de si estaban aisladas del mismo huésped. Para centrar nuestro análisis en los eventos más recientes, buscamos bloques grandes (> 10kb) de ADN 100% idéntico, correspondientes a eventos de TGH que ocurrieron entre 0 y ~100 años atrás, aunque también confirmamos nuestros hallazgos utilizando elementos móviles más cortos con una longitud mayor de 500bp. En este estudio, nos enfocamos solo en las transferencias que ocurren entre especies bacterianas, ignorando los eventos de recombinación génica dentro de la especie.

Los genomas aislados de referencia existentes 4,15 – 19 no se pueden usar para probar la transferencia directa de genes entre dos bacterias cualesquiera dentro de las personas, porque casi todas esas cepas se aislaron de diferentes individuos. Además, estas colecciones de referencia se muestrearon casi exclusivamente de poblaciones industrializadas, y no reflejan la diversidad de estilos de vida humanos. Por lo tanto, analizamos los genomas completos de 6,188 aislados bacterianos recién cultivados utilizando muestras de heces recolectadas de 34 individuos en 9 poblaciones humanas en todo el mundo: las poblaciones de Hadza y Datoga en Tanzania, Beti y Baka en Camerún, individuos Inuit en el Ártico Canadiense, individuos Sami y finlandeses en Finlandia, e individuos de una Tribu de las Llanuras del Norte en Montana y del área de Boston en los Estados Unidos; Figura suplementaria 1 & Tabla Suplementaria 1 para una descripción de los estilos de vida). Agrupamos genomas bacterianos en grupos de especies en función de la similitud genómica (utilizando la distancia del Puré como un proxy de la Identidad Media de Nucleótidos, ver Métodos). Estos genomas representan 253 especies bacterianas en 6 filos, agrupándose en 62 géneros conocidos y 54 desconocidos (Figura 1A & Tablas suplementarias 2 & 3 para datos de cultivo y estadísticas de ensamblaje del genoma). Las poblaciones humanas muestreadas tenían diferentes antecedentes genéticos y estilos de vida muy diferentes, que iban desde comunidades industrializadas hasta comunidades de cazadores-recolectores. Muestreamos muchos aislados bacterianos de diferentes especies dentro de cada individuo, y detectamos miles de HGTs recientes en nuestros datos genómicos: en total, capturamos 134,958 elementos móviles a través de múltiples especies bacterianas, tanto dentro de las personas como entre ellas. el 57% de los genomas bacterianos (3556/6188) estuvieron involucrados en al menos un evento reciente de TGH (Figura 1A), lo que indica que la TGH es rampante en el intestino humano contemporáneo.

Encontramos que los pares de especies bacterianas muestreadas dentro de las personas tienen más probabilidades de compartir ADN transferido recientemente que los mismos pares de especies muestreados de dos personas diferentes (el número de eventos de TGH observados dentro de la persona se comparó con el número esperado de eventos basados en el número de eventos entre personas, corrigiendo la composición de las especies y la profundidad de muestreo desigual, Figura 1B, valor de p < 2.2×10-16, ver Métodos), y esta señal es impulsada por muchas especies bacterianas diferentes que cubren diversos grupos taxonómicos (Figura 1A & 1B). Este resultado sugiere que la escala de tiempo para HGT es corta. Estrictamente hablando, no podemos distinguir entre las transferencias que ocurrieron en el anfitrión de origen de las que pueden haber ocurrido en el padre o abuelo de un anfitrión. Sin embargo, es poco probable que una gran fracción de las transferencias ocurriera antes de la colonización del huésped, porque la tasa general de TGH es grande en comparación con la tasa de herencia de cepas de un padre (ver discusión en Información Complementaria). Estos resultados son sólidos para los detalles de nuestro análisis: se replica un aumento en la frecuencia de TGH dentro de los individuos cuando se restringen los análisis a cada una de nuestras poblaciones muestreadas, o cuando se consideran los 5,126,962 elementos móviles mayores a 500bp que se distribuyen en el 98% (6068/6188) de nuestros genomas (valor de p < 2.2×10-16) (Figura 1A & Supp Fig. 2 & 3). En conjunto, estos resultados sugieren que los GTG ocurren en escalas de tiempo lo suficientemente cortas como para remodelar las funciones de la comunidad intestinal de manera extensa y continua durante la vida de un individuo.

Debido a que la frecuencia de la TGH está impulsada principalmente por transferencias que ocurren entre organismos estrechamente relacionados, que tienden a intercambiar más genes juntos que especies distantes, investigamos la frecuencia de la TGH en un rango de distancias filogenéticas. Mostramos que la relación filogenética es un fuerte impulsor de los GTG en general(especies más estrechamente relacionadas que transfieren más genes, Prueba de ajuste del modelo de Efectos mixtos lineales, valor de p < 2.2×10-16), y que el fuerte enriquecimiento para la transferencia dentro de los individuos en comparación con entre individuos ocurre a través de todas las distancias filogenéticas (Figura 2A), lo que es cierto incluso cuando se consideran todos los HGT mayores de 500 bp (Figura Suplementaria 4).

Habiendo establecido la escala de tiempo rápida de la TGH, a continuación preguntamos qué factores impulsan la frecuencia de intercambio de genes en el intestino humano. Planteamos la hipótesis de que los pares de especies altamente abundantes en un ecosistema dado tendrían una mayor probabilidad de intercambio genético en comparación con los pares que involucran al menos a una especie de baja abundancia, independientemente de su distancia filogenética, aunque anteriormente argumentamos en contra de un papel importante para la abundancia en el control de la frecuencia de TGH 1. Esta hipótesis nunca se había probado directamente porque aún no existían conjuntos de datos que combinaran un muestreo genómico en profundidad con estimaciones precisas de abundancia. Para probar la hipótesis de abundancia, generamos datos metagenómicos para las muestras de heces de las que habíamos cultivado aislados bacterianos, y calculamos la abundancia promedio de cada especie bacteriana dentro de cada persona mediante el mapeo de lecturas metagenómicas contra los genomas aislados (ver Métodos). Encontramos que la abundancia de especies es un fuerte determinante del TGH (Prueba de ajuste del modelo de Efectos Mixtos Lineales, valor de p = 1,4×10-11), independiente de la filogenia (Figura 2B), que se replica cuando se observan todos los TGH mayores de 500 bp (Figura Suplementaria 5). Las bacterias abundantes son más propensas a participar en el TGH con otras bacterias abundantes, lo que es consistente con los mecanismos canónicos del TGH (por ejemplo, conjugación, transformación y transducción 20) que involucran el contacto de célula a célula o el acceso al ADN libre en el medio ambiente.

Dado que la TGH está impulsada por la distancia filogenética y la abundancia, y la abundancia es similar entre los individuos dentro de una población hospedera 5, planteamos la hipótesis de que la misma especie bacteriana intestinal intercambiaría genes entre los individuos. Para probar esta hipótesis, comparamos las frecuencias de TGH para pares de especies bacterianas compartidas por un mínimo de 4 individuos dentro de nuestra cohorte de EE. Para la mayoría de las especies bacterianas, se encontró que la frecuencia de TGH es homogénea entre las personas (la desviación estándar promedio observada de la frecuencia de TGH dentro de la persona entre las personas se comparó con la distribución esperada mediante una prueba de aleatorización con 1.000 permutaciones, valor de p < 0,001, figura suplementaria 6). Esto sugiere que el conjunto central de linajes abundantes compartidos por individuos dentro de una población dada representa una red central de intercambio de genes que permite que los linajes bacterianos se adapten a las presiones selectivas comunes que actúan en la población huésped.

A continuación, preguntamos si la arquitectura de las envolventes celulares contribuye a las diferencias en la frecuencia de la TGH, independientemente de la filogenia y la abundancia. Utilizamos datos de tinción de Gram de referencia para cada especie bacteriana como un proxy de la arquitectura de la pared celular, con el fin de separar las bacterias monoderm grampositivas (membrana citoplasmática única y una capa gruesa de peptidoglicano) de las bacterias díderm gramnegativas (dos membranas que rodean una capa delgada de peptidoglicano). Encontramos que las bacterias díderm se involucran con mayor frecuencia en las HGT que las bacterias monoderm, independientemente de la filogenia y abundancia (valor de p = 1×10-3, Figura 2C), lo que también se observa cuando se consideran todas las HGT mayores de 500 bp (Figura Suplementaria 7). Curiosamente, la frecuencia de HGT entre dos bacterias dider fue similar a la frecuencia de HGT entre un monodermo y una bacteria dider, lo que sugiere que las bacterias dider tienen mecanismos de transferencia que les permiten compartir material de ADN con un espectro mucho más amplio de antecedentes genéticos.

La transición de estilos de vida no industrializados a industrializados se asocia con cambios drásticos en la diversidad y composición del microbioma 21-23. Sin embargo, se sabe poco sobre cómo estas transiciones de estilo de vida afectaron los patrones de intercambio de genes en el microbioma intestinal humano.

Para probar si las poblaciones humanas con un estilo de vida industrializado tienen diferentes patrones de TGH en comparación con las poblaciones con estilos de vida no industrializados, observamos los pares de especies en nuestro conjunto de datos que comparten los individuos que viven en los EE.UU. (área de Boston) y los individuos que viven en cualquiera de las cuatro poblaciones de las que tenemos el mayor muestreo de especies bacterianas: los Hadza (cazadores-recolectores), los Datoga (pastores), los Beti (agricultores) y los Baka (actualmente en transición de un estilo de vida cazador-recolector a un estilo de vida agrícola). Para cada par de especies bacterianas, calculamos la frecuencia promedio de HGT a nivel de población humana, observando bloques de ADN idénticos compartidos (100%) que son mayores de 500 bp. Sorprendentemente, encontramos que los pares de especies muestreadas en la población industrializada de los Estados Unidos intercambiaron genes con más frecuencia que cuando se encuentran en poblaciones no industrializadas (el número de eventos de TGH observados en la población no industrializada se comparó con el número esperado de eventos basados en el número de eventos de la población industrializada, corrigiendo la composición de las especies y la profundidad de muestreo desigual, valor de p < 2.2×10-16, ver Métodos) (Figura 3A). Este efecto se mantiene cuando se restringe el análisis a cada población no industrializada individualmente en comparación con los Estados Unidos (Figura 3B). En conjunto, estos resultados muestran por primera vez que el estilo de vida del huésped da forma a las frecuencias de transferencia de genes en el microbioma intestinal humano. Estos resultados también sugieren que la transición a estilos de vida industrializados resultó en un aumento drástico en las transferencias de genes dentro del microbioma intestinal, potencialmente debido al aumento de las perturbaciones ambientales en las poblaciones bacterianas intestinales.

Razonamos que si la TGH se produce en escalas de tiempo muy cortas, el tipo de genes que se transfieren debe reflejar las presiones selectivas únicas asociadas con diferentes huéspedes individuales y poblaciones 24. Utilizando transferencias de genes que involucran pares de especies encontradas tanto en la población de los EE.UU. como en los pueblos Hadza, Beti o Datoga, primero comparamos perfiles de categorías funcionales amplias y encontramos que diferían según los estilos de vida (Figura 4A, prueba de bondad de ajuste chi-cuadrado, valores de p < 0.001).

Habiendo demostrado que existen amplias diferencias funcionales entre los tipos de genes transferidos en diferentes poblaciones, nos enfocamos en los genes involucrados en funciones que pensamos que pueden diferir entre las poblaciones, incluidos los genes involucrados en elementos móviles (fagos, plásmidos, transposones), resistencia a los antibióticos y funciones degradadoras de carbohidratos (CAZyme). Se encontró que las bacterias intestinales en poblaciones industrializadas intercambiaron mayores cantidades relativas de plásmidos, transposones y elementos fagos (Figura 4B, pruebas Z de dos proporciones, valores p corregidos < 0.001), en consonancia con los niveles generales más altos de HGT. Los individuos Hadza y Beti, que consumen grandes cantidades de fibras no digeribles, hospedan bacterias intestinales que intercambian genes CAZyme a frecuencias más altas que los individuos que viven en los Estados Unidos (Figura 4B). También se encontraron frecuencias de transferencia muy altas de genes de resistencia a los antibióticos en los microbiomas intestinales de individuos Datoga. Los Datoga son pastores, crían principalmente ganado y consumen altos niveles de carne y productos lácteos de sus animales. Al igual que otros agricultores de pastoreo en el norte de Tanzania, administran antibióticos a sus rebaños 25,26. Nuestros resultados sugieren que estas prácticas agrícolas recientes alteraron rápidamente el paisaje físico en las entrañas de las personas Datoga y ya han impactado los patrones de transferencia de genes dentro de sus microbiomas. Como el uso de antimicrobianos comerciales está ahora muy extendido entre las poblaciones de pastores en los países en desarrollo, pueden ocurrir efectos similares en muchas poblaciones de todo el mundo con un impacto más amplio en la propagación de la resistencia a los antimicrobianos fuera de la clínica.

Numerosos estudios han investigado cómo los cambios en la dieta y las intervenciones clínicas, como los trasplantes de microbiota fecal 27,28, afectan la composición del microbioma intestinal. Pero es difícil inferir la comprensión mecanicista de los cambios de composición. Nuestro estudio revela que los HGT dentro del microbioma intestinal reflejan las presiones selectivas únicas de cada huésped humano. Por lo tanto, los patrones de TGH se pueden usar para identificar fuerzas selectivas que actúan dentro de cada individuo y para obtener una comprensión más mecánica de estos eventos. Nuestros resultados también muestran que los datos de secuenciación del genoma completo proporcionan información sobre la función personalizada del microbioma a un nivel de precisión que los enfoques populares, como el amplicón 16S y la secuenciación metagenómica, no pueden lograr. Finalmente, la alta tasa de TGH en el intestino humano es probablemente un desarrollo reciente en respuesta al estilo de vida industrializado, que fue acompañado además por cambios drásticos en la naturaleza de los genes que se intercambian. Es posible que todavía no apreciemos plenamente las consecuencias de estos cambios en la frecuencia y la función de la HGT en la salud humana.