Az iparosodás a horizontális géntranszfer megnövekedett arányával jár az emberi mikrobiomban

fő szöveg

az emberekkel szimbiózisban élő bélbaktériumok evolúciós idő alatt magas vízszintes géntranszfer (HGT) arányt tapasztaltak, legalábbis az iparosodott országokban élő egyének között 1,2. Még mindig nem világos, hogy a HGT aránya hogyan viszonyul a baktériumok tipikus tartózkodási idejéhez az emberi bélben, és hogyan befolyásolhatja az emberi gazdaszervezet életmódja a HGT arányát és az átadott gének típusát.

Ha az átadás időtartama lassabb, mint a gazdán belüli tartózkodási idő, akkor az egyes mikrobiómák elsősorban új funkciókat szereznek új törzsek megszerzésével. Ha azonban a transzfer sebessége elég gyors, akkor a 3-5 baktériumpopulációk szempontjából stabil mikrobiom ennek ellenére fejlődhet a GAZDASPECIFIKUS környezeti zavarokra reagálva a HGT-n keresztül, talán az étrendre vagy a kulturális gyakorlatok változásaira reagálva.

konkrét példák azt mutatják, hogy a HGT egyetlen egyénen belül fordulhat elő 6-10, különösen akkor, ha erős a kiválasztás a célfunkciókhoz, például az antibiotikum-rezisztencia 11-13. De az emberi mikrobiom fajainak hány százaléka szerzett géneket egy másik fajtól a legutóbbi emberi gazdaszervezetben, és hogyan viszonyul a HGT időskálája az emberi kolonizáció időskálájához? Korábbi 1 tanulmányunkban a Hgt-kre összpontosítottunk, amelyek 99% – nál nagyobb hasonlóságú szekvenciákat és 500bp-nél nagyobb hosszúságot tartalmaznak. Feltételezve, hogy egy tipikus molekuláris óra ~1 SNP / Genom / év 14 és a genom mérete 106 bp, ezek a kritériumok összhangban vannak a 0 és 10 000 évvel ezelőtt történt transzfer eseményekkel. Így annak a kérdésnek a megválaszolásához, hogy a kommensális törzsek rutinszerűen új funkciókat szereznek-e a HGT-n keresztül, pontosabb becslésekre van szükség a HGT időskálájára.

a HGT sebességének rövidebb időskálákon történő mérésére összehasonlítottuk az ugyanazon egyénből izolált baktériumok között megfigyelt transzfer mennyiségét a különböző egyének baktériumai között megfigyeltekkel. Feltételeztük, hogy ha a transzfer sebessége gyors volt az emberi testet kolonizáló baktériumcsalád tipikus tartózkodási idejéhez képest, akkor magasabb szintű transzfert figyelnénk meg ugyanazon gazdaszervezetből izolált törzsek között. Alternatív megoldásként, ha az átvitel időtartama kellően hosszabb volt, mint egy emberi élettartam, akkor hasonló szinteket figyelnénk meg a baktériumok között, függetlenül attól, hogy ugyanabból a gazdaszervezetből izolálták-e őket. Hogy elemzésünket a legfrissebb eseményekre összpontosítsuk, nagy blokkokat kerestünk (>10kb), amelyek 100% – ban azonos DNS-t tartalmaznak, ami megfelel a HGT eseményeknek, amelyek 0 és ~100 évvel ezelőtt történtek, bár megállapításainkat rövidebb, 500bp-nél nagyobb hosszúságú mobil elemekkel is megerősítjük. Ebben a tanulmányban csak a baktériumfajok között előforduló transzferekre összpontosítunk, figyelmen kívül hagyva a fajon belüli gén rekombinációs eseményeket.

meglévő referencia izolátum genomok 4,15-19 nem használható a közvetlen géntranszfer tesztelésére bármely két baktérium között az embereken belül, mert szinte az összes ilyen törzset különböző egyénekből izolálták. Ezenkívül ezek a referenciagyűjtemények szinte kizárólag az iparosodott populációkból vettek mintát, és nem tükrözik az emberi életmód sokféleségét. Ezért 6188 újonnan tenyésztett baktériumizolátum teljes genomját elemeztük székletminták felhasználásával, amelyeket 34 egyedből gyűjtöttek 9 emberi populációban világszerte: a Hadza és Datoga Tanzániában, Beti és Baka populációk Kamerunban, Inuit egyedek a kanadai sarkvidéken, Számi és finn egyedek Finnországban, valamint az észak-alföldi törzsből származó egyedek Montanában és az Egyesült Államok Boston területéről; kiegészítő ábra 1 & kiegészítő táblázat 1 az életmód leírásához). A bakteriális genomokat fajcsoportokba csoportosítottuk a genomi hasonlóság alapján (a Mash távolságot használva az átlagos nukleotid identitás proxyjaként, lásd módszerek). Ezek a genomok 253 baktériumfajt képviselnek 6 törzsből, 62 ismert és 54 ismeretlen nemzetségbe csoportosulva (1a.ábra & 2. Kiegészítő táblázat & 3 a tenyésztési adatokhoz és a genomösszeállítási statisztikákhoz). A mintában szereplő emberi populációk eltérő genetikai háttérrel és életmóddal rendelkeztek, az iparosodott közösségektől a vadászó-gyűjtögető közösségekig. Az egyes egyedeken belül számos különböző fajból származó baktérium izolátumot vettünk fel, és genomikai adatainkban több ezer friss Hgt-t detektáltunk: összesen 134 958 mozgó elemet fogtunk el több baktériumfajban, mind az embereken belül, mind az emberek között. A bakteriális genomok 57% – a (3556/6188) részt vett legalább egy közelmúltbeli HGT-eseményben (1a ábra), jelezve, hogy a HGT burjánzik a kortárs emberi bélben.

megállapítottuk, hogy az embereken belül mintavételezett baktériumfajpárok nagyobb valószínűséggel osztják meg a nemrégiben átvitt DNS-t, mint a két különböző személytől vett azonos fajpárok (a személyen belül megfigyelt HGT-események számát összehasonlítottuk az események várható számával a személyek közötti események száma alapján, korrigálva a fajok összetételét és az egyenetlen mintavételi mélységet, 1b ábra, p-érték < 2.2 (10-16), lásd módszerek), és ezt a jelet számos különböző baktériumfaj vezérli, amelyek különböző rendszertani csoportokat fednek le (1a ábra & 1b). Ez az eredmény arra utal, hogy a HGT időkerete rövid. Szigorúan véve, nem tudunk különbséget tenni a származási fogadóban bekövetkezett transzferek között azoktól, amelyek a fogadó szülőjénél vagy akár a nagyszülő. Nem valószínű azonban, hogy a transzferek nagy része a gazdaszervezet kolonizációja előtt történt, mivel a HGT teljes aránya nagy a törzsek szülőtől történő öröklődésének arányához képest (lásd a kiegészítő információk tárgyalását). Ezek az eredmények robusztusak az elemzésünk részletei szempontjából: az egyéneken belüli HGT-gyakoriság növekedése megismétlődik, ha az elemzéseket az egyes mintavételezett populációkon belül korlátozzák, vagy ha figyelembe vesszük az 5,126,962 500bp-nél nagyobb mobil elemeket, amelyek genomjaink 98% – ában (6068/6188) oszlanak meg (p-érték < 2.2 10-16!) (1a ábra & Supp Fig. 2 & 3). Ezek az eredmények együttesen azt sugallják, hogy a Hgt-k olyan időskálákon fordulnak elő, amelyek elég rövidek ahhoz, hogy az egyén életében széles körben és folyamatosan átalakítsák a bél közösségi funkcióit.

mivel a HGT gyakoriságát elsősorban a szorosan rokon organizmusok között előforduló transzferek vezérlik, amelyek általában több gént cserélnek együtt, mint a távoli rokon fajok, a HGT gyakoriságát filogenetikai távolságok tartományában vizsgáltuk. Megmutatjuk, hogy a filogenetikai rokonság a Hgt-k általános mozgatórugója (szorosabban rokon fajok, amelyek több gént továbbítanak, lineáris vegyes hatású modell illeszkedési teszt, p-érték < 2.2 (10-16), és hogy az egyéneken belüli, az egyének közötti transzferhez viszonyított erős dúsítás az összes filogenetikai távolságon belül történik (2a.ábra), ami akkor is igaz, ha minden 500 BP-nél nagyobb Hgt-t figyelembe veszünk (4. Kiegészítő ábra).

miután megállapítottuk a HGT gyors időskáláját, megkérdeztük, hogy milyen tényezők vezérlik a géncsere gyakoriságát az emberi bélben. Feltételeztük, hogy egy adott ökoszisztémában nagyon bőséges Fajok párjainak nagyobb a valószínűsége a géncserének, mint azoknak a pároknak, amelyek legalább egy alacsony bőségű fajt tartalmaznak, filogenetikai távolságuktól függetlenül, bár korábban a bőség fő szerepe ellen érveltünk a HGT frekvencia szabályozásában 1. Ezt a hipotézist soha nem tesztelték közvetlenül, mert még nem léteztek olyan adatkészletek, amelyek mélyreható genomi mintavételt párosítottak a pontos bőségbecslésekkel. A bőség hipotézis teszteléséhez metagenomikai adatokat állítottunk elő a székletmintákhoz, amelyekből baktériumizolátumokat tenyésztettünk, és kiszámítottuk az egyes baktériumfajok átlagos bőségét az egyes személyeken belül a metagenomikus leolvasások feltérképezésével az izolált genomokkal szemben (lásd módszerek). Megállapítottuk, hogy a fajok bősége erősen meghatározza a HGT-t (lineáris vegyes effektek modell illeszkedési tesztje, p-érték = 1,4 10-11), független a filogenitástól (2b ábra), amely megismétlődik, ha minden 500bp-nél nagyobb Hgt-t vizsgálunk (kiegészítő 5.ábra). A bőséges baktériumok nagyobb valószínűséggel vesznek részt HGT-ben más bőséges baktériumokkal, ami összhangban áll a HGT kanonikus mechanizmusaival (pl. konjugáció, transzformáció és transzdukció 20), amelyek sejt-sejt érintkezést vagy a szabad DNS-hez való hozzáférést jelentenek a környezetben.

mivel a HGT-t a filogenetikai távolság és a bőség vezérli, és a bőség hasonló az egyének között a fogadó populáción belül 5, feltételeztük, hogy ugyanazok a bélbaktériumfajok cserélnek géneket az egyének között. Ennek a hipotézisnek a tesztelésére összehasonlítottuk a HGT frekvenciákat a baktériumfajpárok számára, amelyeket legalább 4 egyed oszt meg az USA kohorszunkon belül. Megállapítottuk, hogy a HGT gyakorisága homogén az emberek között a baktériumfajok többségénél (a személyen belüli HGT frekvencia megfigyelt átlagos szórását az emberek között összehasonlítottuk a várható eloszlással egy randomizációs teszt segítségével 1000 permutációval, p-érték < 0,001, kiegészítő 6.ábra). Ez arra utal, hogy az egyének által egy adott populáción belül megosztott bőséges vonalak alapkészlete a géncsere maghálózatát képviseli, amely lehetővé teszi a bakteriális vonalak számára, hogy alkalmazkodjanak a gazdaszervezet populációjában fellépő közös szelektív nyomásokhoz.

ezután megkérdeztük, hogy a sejtburkok architektúrája hozzájárul-e a HGT gyakoriságának különbségeihez, függetlenül a filogenitástól és a bőségtől. Az egyes baktériumfajokra vonatkozó referencia Gram-festési adatokat a sejtfal architektúrájának proxyjaként használtuk, hogy elkülönítsük a gram-pozitív monoderma baktériumokat (egy citoplazmatikus membrán és egy vastag peptidoglikán réteg) a gram-negatív diderm baktériumoktól (két vékony peptidoglikán réteget körülvevő membrán). Megállapítottuk, hogy a diderm baktériumok gyakrabban vesznek részt a Hgt-kben, mint a monoderma baktériumok, függetlenül a filogenitástól és a bőségtől (p-érték = 1 10-3, 2C ábra), ami akkor is megfigyelhető, ha figyelembe vesszük az összes 500bp-nél nagyobb Hgt-t (kiegészítő ábra 7). Érdekes módon a két diderm baktérium közötti HGT frekvencia hasonló volt a HGT gyakoriságához egy monoderma és egy diderm baktérium között, ami arra utal, hogy a diderm baktériumok olyan átviteli mechanizmusokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra a DNS-anyag megosztását a genetikai háttér sokkal szélesebb spektrumával.

a nem iparosodott életmódról az iparosodott életmódra való áttérés drasztikus változásokkal jár a mikrobiom sokféleségében és összetételében 21-23. Arról azonban keveset tudunk, hogy ezek az életmód-átmenetek hogyan befolyásolták a géncsere mintáit az emberi bél mikrobiomjában.

annak tesztelésére, hogy az iparosodott életmóddal rendelkező emberi populációk eltérő HGT-mintázattal rendelkeznek-e a nem iparosodott életmóddal rendelkező populációkhoz képest, megvizsgáltuk az adatkészletünkben azokat a fajpárokat, amelyeket az USA-ban (Boston területén) élő egyének osztanak meg, valamint a négy populáció egyikében élő egyének, amelyekből a legnagyobb mintavétel van a baktériumfajokból: a Hadza (vadászó-gyűjtögetők), a Datoga (pásztorok), A Beti (mezőgazdasági termelők) és a Baka (jelenleg vadászó-gyűjtögető életmódról mezőgazdasági életmódra vált át). Minden baktériumfajpár esetében kiszámítottuk az átlagos HGT gyakoriságot az emberi populáció szintjén, a megosztott azonos (100%) DNS-blokkokat vizsgálva, amelyek nagyobbak, mint 500bp. Meglepő módon azt tapasztaltuk, hogy az amerikai iparosodott populációban mintavételezett fajpárok gyakrabban cseréltek géneket, mint amikor nem iparosodott populációkban találhatók (a megfigyelt nem iparosodott népesség HGT eseményeinek számát összehasonlítottuk az iparosodott populációs események száma alapján várható események számával, korrigálva a fajok összetételét és az egyenetlen mintavételi mélységet, p-érték < 2.2 10-16. Ez a hatás akkor érvényes, ha az elemzést az egyes nem iparosodott lakosságokra külön-külön korlátozzák az Egyesült Államokhoz képest (3b.ábra). Ezek az eredmények együttesen azt mutatják, hogy először a gazda életmód alakítja a génátviteli frekvenciákat az emberi bél mikrobiomjában. Ezek az eredmények arra is utalnak, hogy az iparosodott életmódra való áttérés a géntranszferek drasztikus növekedését eredményezte a bél mikrobiomjában, potenciálisan a bélbaktériumok populációinak fokozott környezeti zavarai miatt.

úgy érveltünk, hogy ha a HGT nagyon rövid időn belül fordul elő, akkor az átvitt gének típusának tükröznie kell a különböző egyedi gazdaszervezetekhez és populációkhoz kapcsolódó egyedi szelektív nyomást 24. Az amerikai populációban és a Hadza, Beti vagy Datoga népeknél egyaránt megtalálható fajpárok bevonásával végzett géntranszferek felhasználásával először széles funkcionális kategóriaprofilokat hasonlítottunk össze, és megállapítottuk, hogy azok életmódonként eltérőek (4a ábra, chi-négyzet illesztési jóság teszt, p-értékek < 0.001).

miután megmutattuk, hogy széles funkcionális különbségek vannak a különböző populációkban átvitt gének között, olyan funkciókban részt vevő génekre összpontosítottunk, amelyekről úgy gondoltuk, hogy a populációk között eltérőek lehetnek, beleértve a mobil elemekben (fág, plazmid, transzpozon), az antibiotikum-rezisztenciában és a szénhidrát-lebontó (CAZyme) funkciókban részt vevő géneket. Megállapítottuk, hogy az iparosodott populációkban a bélbaktériumok nagyobb relatív mennyiségű plazmidot, transzpozont és fágelemeket cseréltek (4b ábra, két arányú Z-tesztek, korrigált p-értékek < 0.001), összhangban a HGT általános magasabb szintjeivel. A Hadza és A Beti egyének, akik nagy mennyiségű nem emészthető rostot fogyasztanak, olyan bélbaktériumokat fogadnak el, amelyek magasabb frekvencián cserélik a CAZyme géneket, mint az USA-ban élő egyének (4b ábra). Az antibiotikum-rezisztencia gének nagyon magas átviteli frekvenciáit a datoga egyének bél mikrobiómáiban is megtalálták. A Datogák lelkipásztorok, elsősorban szarvasmarhákat nevelnek, és állataikból nagy mennyiségű húst és tejterméket fogyasztanak. Mint más észak-Tanzániai lelkipásztori gazdák, antibiotikumokat adnak állományaiknak 25,26. Eredményeink azt sugallják, hogy ezek a közelmúltbeli mezőgazdasági gyakorlatok gyorsan megváltoztatták a datoga emberek bélrendszerét, és már hatással voltak a mikrobiómákon belüli géntranszfer mintáira. Mivel a kereskedelmi antimikrobiális szerek használata ma már széles körben elterjedt a fejlődő országok lelkipásztori populációi között, hasonló hatások fordulhatnak elő világszerte számos populációban, szélesebb hatással az antimikrobiális rezisztencia klinikán kívüli terjedésére.

számos tanulmány vizsgálta, hogy az étrend változásai és a klinikai beavatkozások, mint például a széklet mikrobiota transzplantációk 27,28 befolyásolják a bél mikrobiom összetételét. A kompozíciós változásokból azonban nehéz következtetni a mechanisztikus megértésre. Tanulmányunk azt mutatja, hogy a bél mikrobiómán belüli Hgt-K tükrözik az egyes emberi gazdaszervezetek egyedi szelektív nyomását. Így a HGT-minták felhasználhatók az egyes egyéneken belül ható szelektív erők azonosítására és ezen események mechanisztikusabb megértésére. Eredményeink azt is mutatják, hogy a teljes genomszekvenálási adatok olyan pontossággal szolgáltatnak információt a személyre szabott mikrobiom funkcióról, amelyet a népszerű megközelítések, mint például a 16S amplicon és a metagenomikus szekvenálás, nem tudnak elérni. Végül, a HGT magas aránya az emberi bélben valószínűleg az iparosodott életmódra adott válaszként nemrégiben bekövetkezett fejlemény, amelyet a kicserélt gének természetének drasztikus változásai kísértek. Lehet, hogy még nem értékeljük teljes mértékben a HGT gyakoriságának és funkciójának az emberi egészségre gyakorolt változásainak következményeit.