工業化は、ヒトマイクロバイオームにおける水平遺伝子導入率の上昇に関連している
本文
ヒトと共生している腸内細菌は、少なくとも先進国1,2の個人にわたって、進化的な時間にわたって水平遺伝子導入率（HGT）が高いことを経験している。 しかし、HGTの速度がヒトの腸内の典型的な細菌滞留時間とどのように比較され、ヒト宿主のライフスタイルがHGTの速度および移入された遺伝子の型にどのように影響するかは不明である。
転送のタイムスケールがホスト内滞留時間よりも遅い場合、個々のマイクロバイオームは、主に新しい株の取得を通じて新しい機能を獲得します。
しかし、移動速度が十分に速い場合、細菌集団3-5の点で”安定”であるマイクロバイオームは、おそらく食事や文化的慣行の変化に応答して、HGTを介してホス具体的な例は、特に抗生物質耐性11-13などの標的機能のための強力な選択がある場合に、HGTが単一の個体6-10内で起こり得ることを示している。
具体的な例は、hgtが単一の個体6-10内で起こり得ることを示している。 しかし、ヒトマイクロバイオームの種のどの部分が、最新のヒト宿主の別の種から遺伝子を取得しており、HGTのタイムスケールは人間の植民地化のタイムスケールとどのように比較されているのでしょうか？ 我々の以前の研究1では、我々は99％よりも高い類似性と500bpよりも高い長さを持つ配列を含むHgtに焦点を当てました。 典型的な分子時計が〜1SNP/ゲノム/14年、ゲノムサイズが106bpであると仮定すると、これらの基準は0〜10,000年前に起こった転移事象と一致しています。 したがって、共生株が日常的にHGTを介して新しい機能を獲得するかどうかの質問に答えるために、HGTのタイムスケールのより正確な推定が必要である。
短いタイムスケールでHGTの速度を測定するために、我々は、異なる個人からの細菌間で観察されたものと同じ個体内から単離された細菌間で観察され 我々は、転送速度が人間の体を植民地化する細菌系統の典型的な滞留時間と比較して速かった場合、我々は同じホストから単離された株間の転送の高レベ あるいは、移送のタイムスケールがヒトの寿命よりも十分に長い場合、同じ宿主から単離されたかどうかにかかわらず、細菌間で同様のレベルを観察 最新のイベントに私たちの分析を集中するために、我々は100％同一のDNAの大きなブロック（>10kb）を探し、0から100年前のHGTイベントに対応しましたが、500bpを超える長さの短いモバイル要素を使用して発見を確認しました。 本研究では、種内の遺伝子組換えイベントを無視して、細菌種間で発生する転送にのみ焦点を当てています。
既存の参照分離ゲノム4,15–19は、これらの株のほぼすべてが異なる個体から単離されたため、人々の中の任意の二つの細菌間の直接遺伝子移入を さらに、これらの参照コレクションは、工業化された集団からほぼ独占的にサンプリングされ、人間のライフスタイルの多様性を反映していません。 したがって、我々は6,188新たに培養された細菌分離株の全ゲノムを分析し、34人のヒト集団の9人から収集された便サンプルを使用して: タンザニアのHadzaとDatoga、カメルーンのBetiとBakaの個体群、カナダの北極のイヌイットの個体群、フィンランドのサーミとフィンランドの個体群、モンタナ州の北部平原部族と米国のボストン地域の個体群;補足図1&補足表1ライフスタイルの説明）。 我々は、ゲノムの類似性に基づいて種クラスターに細菌ゲノムをグループ化した（平均ヌクレオチド同一性のプロキシとしてマッシュ距離を使用して、方法を参照してください）。 これらのゲノムは、253の細菌種を6門にわたって表し、62の既知属と54の未知属にグループ化しています（図1A&&3培養データとゲノムアセンブリ統計）。 サンプリングされた人間集団は、工業化されたコミュニティから狩猟採集社会に至るまで、異なる遺伝的背景と非常に異なる生活様式を有していた。 我々は、各個人内の異なる種の多くの細菌分離株をサンプリングし、我々のゲノムデータで最近のHgtの何千ものを検出しました: 合計で、私たちは、人の中と人の間の両方で、複数の細菌種にわたって134,958のモバイル要素を捕獲しました。 細菌ゲノムの57％（3556/6188）は、少なくとも一つの最近のHGTイベントに関与していた（図1A）、HGTが現代の人間の腸で横行していることを示しています。
(A)本研究で生成され、9人のヒト集団からサンプリングされた6,188人のヒト腸細菌分離株の系統樹。 枝は門によって着色されています。 内側と外側のリングは、少なくとも1HGTがそれぞれ500bpと10kbよりも大きいゲノムを示しています。 （Ｂ）ヒト内およびヒト間のＨＧＴ頻度は、ゲノムの全セットを使用して計算された。 実線は、個体内および個体間の両方でサンプリングされた細菌種の対を表す。 HGT頻度の違いは、グレー（差なし）から赤（人の中のHGT頻度は人の中のHGT頻度よりも高い）またはグレーから青（人の中のhgt頻度は人の中のHGT頻度よりも高い）への勾配に沿って色付けされ、より高い差を表す暗い色。 ヒト内で見つかった細菌種ペアのHGT頻度を、異なるヒトで見つかった同じ種ペアのHGT頻度に基づいて予想される頻度と比較した（p値<2.2×10-16）。 観察されたＨＧＴ頻度および予想されるＨＧＴ頻度は、少なくとも１つのｈｇｔとのゲノム比較の総数を使用して計算された（方法を参照）。 系統発生によって予想されるよりも高い頻度で人々の中で遺伝子を交換するいくつかの遠くに関連する種のペアがリストされています（図2A参照）。
人々の中でサンプリングされた細菌種のペアは、二つの異なる人からサンプリングされた同じ種のペアよりも最近転送されたDNAを共有する可能性が高いことがわかりました（観察された人の中のHGTイベントの数は、種の組成と不均一なサンプリング深さを補正し、人の間のイベントの数に基づいて予想されるイベントの数と比較した図1B、p値<2。このシグナルは、多様な分類学的グループをカバーする多くの異なる細菌種によって駆動される（図1A&1B）。 この結果は，ＨＧＴのタイムスケールが短いことを示唆している。 厳密に言えば、起源のホストで発生した転送と、ホストの親または祖父母で発生した可能性のある転送を区別することはできません。 しかし、HGTの全体的な割合は、親からの株の継承率と比較して大きいので、転送の大部分は、ホストの植民地化の前に発生した可能性は低いです（補足情報 これらの結果は、我々の分析の詳細に堅牢です: 個体内のHGT頻度の増加は、サンプリングされた各集団内に分析を制限するとき、または5,126,962個のモバイル要素を考慮するときに複製されます500bpよりサッポロビール（株） 2&3)。 一緒に、これらの結果は、Hgtは、個人の生涯の間に広範囲かつ継続的に腸のコミュニティ機能を再形成するのに十分に短いタイムスケールで発生するこ
HGT頻度は、主に遠くに関連する種よりも多くの遺伝子を交換する傾向がある密接に関連した生物間で発生する転送によって駆動されるため、我々は系統発生距離の範囲にわたってHGT頻度を調べた。 我々は、系統発生関連性は、全体的なHGTsの強力なドライバーであることを示している（より多くの遺伝子を転送するより密接に関連する種、線形混合効果モデ2×10-16)、および個人間と比較して個人内の転送のための強い濃縮は、すべての系統発生距離にわたって起こること(図2A)、これは500bpよりも大きいすべてのHgtを考慮しても当てはまる(補足図4)。
系統発生、存在量および細胞壁アーキテクチャの個々の寄与は、線形混合効果モデルを用いて測定され、黄土回帰を用いてプロットされ、信頼区間は標準誤差から計算される。 各因子に関連付けられたP値は、各プロットの上に表示されます。 （A）ヒト内のHGT頻度は、すべての系統発生距離ビンを横切ってヒト間よりも高い。 系統発生距離は、図1Aの系統樹から得られたものである。系統発生によって予想されるよりも高い頻度で人々の中で遺伝子を交換するいくつかの遠関連種のペアが図1Bで強調されている。(B)HGT頻度は、種の存在量ビン全体にプロットされている。 細菌の存在量は、個々の特異的であり、個々のゲノムに対するメタゲノムリードをマッピングすることによって測定された（方法を参照）。 我々は、非常に低く豊富な細菌を定義するために0.01のしきい値を使用しました。 ＨＧＴ頻度は，このカテゴリーに密接に関連する種との種対がないために，非常に小さな系統発生距離（破線）の範囲における高／低カテゴリーに対して線形外挿された。 (C)HGTの頻度はタイプの細胞壁の建築を渡ってプロットされます。 我々は、monodermまたはdiderm細菌を呼び出すためのプロキシとしてグラム染色を使用しました。 Bの場合と同様に、破線はGram+/Gram−カテゴリのHGT頻度を外挿しますが、このカテゴリ内では系統発生距離が小さい種ペアはサンプリングされませんでした。HGTの急速なタイムスケールを確立した後、我々は次に、人間の腸内でどのような要因が遺伝子交換頻度を駆動するかを尋ねた。 我々は、我々は以前にhgt頻度1を制御する上で豊富のための主要な役割に対して主張したものの、与えられた生態系における非常に豊富な種のペアは、その系統発生距離の独立した、少なくとも一つの低豊富な種を含むペアに比べて遺伝子交換の高い確率を持っているだろうと仮定しました。 この仮説は、詳細なゲノムサンプリングと正確な存在量推定値を対にしたデータセットがまだ存在していなかったため、直接テストされたことはあ 存在量仮説をテストするために、我々は細菌分離株を培養していた糞便サンプルのメタゲノムデータを生成し、分離ゲノムに対してメタゲノムリードをマッ 我々は、種の存在量が系統発生とは無関係にHGT（線形混合効果モデルフィットテスト、p値=1.4×10-11）の強力な決定因子であることを発見した（図2B）、これは500bpを超えるすべてのhgtを見たときに複製される（補足図5）。 豊富な細菌は、他の豊富な細菌とＨＧＴに関与する可能性がより高く、これは、環境中の細胞間接触または遊離ＤＮＡへのアクセスを伴うＨＧＴの標準的な機序（例えば、抱合、形質転換および形質導入２ ０）と一致する。HGTは系統発生距離と豊富さによって駆動され、豊富さは宿主集団内の個体間で類似しているので5、我々は同じ腸内細菌種が個体間で遺伝子を交換す この仮説をテストするために、我々は我々の米国コホート内の4人の最小値によって共有される細菌種のペアのHGT頻度を比較した。 我々は、hgt頻度が細菌種の大部分の人々にわたって均質であることを発見した（人々全体でヒト内HGT頻度の観察された平均標準偏差は、1,000の順列、p値<0.001、補 これは、与えられた集団内の個人が共有する豊富な系統のコアセットは、細菌の系統がホスト集団に作用する共通の選択的圧力に適応することを可能にする遺伝子交換のコアネットワークを表していることを示唆している。次に、細胞エンベロープのアーキテクチャが系統発生と豊富さとは無関係に、HGT頻度の違いに寄与しているかどうかを尋ねました。 グラム陰性ｄｉｄｅｒｍ細菌（薄いペプチドグリカン層を囲む二つの膜）からグラム陽性単胚葉細菌（単一細胞質膜と厚いペプチドグリカン層）を分離するために，各細菌種の参照グラム染色データを細胞壁アーキテクチャのプロキシとして用いた。 本発明者らは、diderm細菌が単胚葉細菌よりもHgtに頻繁に関与することを見出し、系統発生および存在量とは無関係に（p値=1×10-3、図2C）、500bpよりも大きいすべてのhgtを考慮するときにも観察される（補足図7）。 興味深いことに、二つのdiderm細菌間のHGT頻度は、単胚葉とdiderm細菌間のHGT頻度に類似していた、diderm細菌は、彼らが遺伝的背景のはるかに広いスペクトルとDNA材料を共有することを可能にする転送メカニズムを持っていることを示唆している。
非工業化ライフスタイルから工業化ライフスタイルへの移行は、マイクロバイオームの多様性と組成21-23の急激な変化に関連している。 しかし、これらの生活様式の変化がヒト腸内微生物叢における遺伝子交換のパターンにどのように影響するかについてはほとんど知られていない。
工業化されたライフスタイルを持つ人口が非工業化されたライフスタイルを持つ人口と比較して異なるHGTパターンを持っているかどうかをテストするために、我々は、米国（ボストン地域）に住む個人と、我々が細菌種の最大のサンプリングを持っている四つの集団のいずれかに住んでいる個人によって共有されているデータセット内の種のペアを見ました：Hadza（狩猟採集者）、Datoga（牧畜者）、Beti（農業者）とBaka（現在、狩猟採集者から農業者のライフスタイルに移行している）。 各細菌種のペアについて、ヒト集団レベルでの平均HGT頻度を計算し、500bpより大きい共有同一（100％）DNAブロックを調べました。 驚くべきことに、米国の工業化集団でサンプリングされた種ペアは、非工業化集団で発見されたときよりも頻繁に遺伝子を交換することがわかりました（観測された非工業化集団HGTイベントの数は、工業化集団イベントの数に基づいて予想されるイベント数と比較され、種の組成と不均一なサンプリング深さ、p値<2.2×10-16、方法を参照）。 この効果は、分析を米国と比較して個別に非工業化された各人口に制限する場合に保持されます（図3B）。 まとめると、これらの結果は、宿主のライフスタイルがヒト腸内微生物叢における遺伝子導入頻度を形成することを初めて示している。 これらの結果はまた、工業化されたライフスタイルへの移行は、潜在的に腸内細菌集団への増加した環境摂動のために、腸内マイクロバイオーム内の
米国コホート（工業化された人々）と非工業化されたアフリカコホート（Hadzaの人々、狩猟採集民、ベティの人々、農民、Datogaの人々、牧畜民、およびBakaの人々、狩猟採集民および農民）の間で共有されたすべての種ペアのHGT頻度を比較した。 (A)米国コホートと4つの集計された非工業化コホートの間のHGT頻度の比較。 それぞれの線は、工業化されたグループと非工業化されたグループの両方に見られる種のペアを表します。 差異は、灰色（差なし）から紫色（米国の個体ではHGT頻度が高い）または灰色から緑色（非工業化された個体ではHGT頻度が高い）への勾配に沿って着色され、より高い差を表す暗い色である。 観測された非工業化集団HGTイベントの数は、工業化集団イベントの数（p値<2.2×10-16）に基づいてイベントの予想数と比較され、種の組成 重要なことに、HGT頻度に対する存在量の影響を制御するために、米国でより高い存在量を有する種ペアを分析から除去すると（p値<2.2×10-16）、結果が複製される。 （B）米国の腸内細菌種は、非工業化されたコミュニティよりも高い頻度で、非工業化された民族グループ全体で一貫して遺伝子を交換する（すべてのp値<2.2×10-16）。hgtが非常に短いタイムスケールで発生する場合、転送される遺伝子のタイプは、異なる個々の宿主および集団に関連するユニークな選択的圧力を反映す 米国の集団とHadza、BetiまたはDatogaの人々の両方で見つかった種のペアを含む遺伝子移入を使用して、我々は最初に広い機能カテゴリプロファイルを比較し、彼ら
モバイル要素内の遺伝子は、工業化された集団と非工業化された集団間の転 既知の予測機能で注釈された十分な数の遺伝子を有する宿主集団のみが分析に含まれた（ＵＳＡ、Ｈａｄｚａ、ＢｅｔｉおよびＤａｔｏｇａの共同体；Ｂａｋａ個体は除去された）。 種の組成の違いを説明するために、ＨＧＴ関数を、比較される２つの比較宿主集団（ＵＳＡ対非工業化集団）によって共有される種対のみを用いて計数した。 このため、米国の機能プロファイルは、ペアワイズの人口比較でわずかに変化します。 （Ａ）ＣＯＧ汎関数カテゴリのプロファイルを、カイ二乗適合度検定（＊＊＊：ｐ値＜ｄｉｖ ｉｄ＝“ｃ５ ７ｃ４ ５ １ ７ｂ３”＞＜／ｄｉｖ＞０． (B)ファージ、プラスミド、トランスポゾン、抗生物質耐性およびCAZyme遺伝子のHGTカウントは、二つの割合のZテストと複数のテストのためのBonferroni補正を使用して、工業化されたホスト集団と非工業化されたホスト集団の間で比較した(***:p値<0.001)。
異なる集団に移入された遺伝子の種類にわたって広範な機能の違いが存在することを示したので、我々は、モバイル要素（ファージ、プラスミド、トランスポゾン）、抗生物質耐性および炭水化物分解（CAZyme）機能に関与する遺伝子を含む集団間で異なると考えられる機能に関与する遺伝子に焦点を当てた。 我々は、工業化集団における腸内細菌は、プラスミド、トランスポゾンおよびファージ要素のより高い相対量を交換することがわかった（図4B、二比率Z検定、補正されたp値<0。001)、HGTの全体的なより高いレベルと一致しています。 大量の非消化性繊維を消費するHadzaおよびBeti個体は、米国に住む個体よりも高い頻度でCAZyme遺伝子を交換する腸内細菌を宿主とする（図4B）。 抗生物質耐性遺伝子の非常に高い伝達頻度は、Datoga個体の腸内微生物叢にも見出された。 ダトガは牧畜民であり、主に牛を飼育し、動物から高レベルの肉や乳製品を消費しています。 タンザニア北部の他の牧畜農家と同様に、彼らは彼らの群れ25,26に抗生物質を投与します。 我々の結果は、これらの最近の農業慣行が急速にDatogaの人々の根性のフィットネス風景を変更し、すでに彼らの微生物叢内の遺伝子移入のパターンに影響を与えていることを示唆している。 現在、開発途上国の牧畜民の間で市販の抗菌剤の使用が広まっているため、世界中の多くの集団で同様の効果が発生し、診療所外での抗菌抵抗性の広
多くの研究は、糞便微生物叢移植27,28などの食事や臨床介入の変化が腸内微生物叢の組成にどのように影響するかを調査してきました。 しかし、組成変化から機械論的理解を推論することは困難である。 我々の研究は、腸内マイクロバイオーム内のHgtは、各ヒト宿主のユニークな選択的圧力を反映していることを明らかにしている。 したがって、HGTパターンは、各個人内で作用する選択的な力を識別し、これらのイベントのより機械的な理解を得るために使用することができます。 我々の結果はまた、全ゲノムシーケンスデータは、16Sアンプリコンとメタゲノムシーケンスなどの一般的なアプローチは、達成することができない精度のレベ 最後に、ヒトの腸内でのHGTの高率は、工業化されたライフスタイルに対応した最近の開発であり、交換される遺伝子の性質の劇的な変化をさらに伴 我々はまだ完全に人間の健康にHGTの頻度と機能のこれらのシフトの結果を理解していないかもしれません。