Industrialisering er forbundet med forhøyede frekvenser av horisontal genoverføring i det humane mikrobiomet

hovedtekst

Tarmbakterier som lever i symbiose med mennesker har opplevd høye nivåer av horisontal genoverføring (HGT) over evolusjonær tid, i hvert fall på tvers av individer i industrialiserte land 1,2. Likevel er det uklart hvordan hgt-priser sammenligner med typisk bakteriell oppholdstid i menneskets tarm, og hvordan livsstilen til den menneskelige verten kan påvirke hgt-frekvensen og typen gener som overføres.

hvis tidsskalaen for overføring er langsommere enn innenfor vertsbebotid, vil individuelle mikrobiomer primært skaffe seg nye funksjoner gjennom oppkjøp av nye stammer. Men hvis overføringshastigheten er tilstrekkelig rask, kan et mikrobiom som er stabilt når det gjelder bakteriepopulasjoner 3-5 likevel utvikle seg som svar på vertsspesifikke miljøforstyrrelser gjennom HGT, kanskje som svar på diett eller endringer i kulturell praksis.Spesifikke eksempler viser AT HGT kan forekomme innenfor et enkelt individ 6-10, spesielt når det er sterkt utvalg for målfunksjoner som antibiotikaresistens 11-13. Men hvilken brøkdel av arter i den menneskelige mikrobiomet har kjøpt gener fra en annen art i deres nyeste menneskelige vert, og hvordan sammenligner tidsskalaen FOR HGT med tidsskalaen for menneskelig kolonisering? I vår tidligere studie 1 fokuserte vi på Hgter som involverte sekvenser med likhet høyere enn 99% og lengde høyere enn 500bp. Ved å anta en typisk molekylær klokke på ~1 SNP / genom / år 14 og genomstørrelse på 106 bp, er disse kriteriene i samsvar med overføringshendelser som skjedde mellom 0 og 10.000 år siden. For å svare på spørsmålet om kommensale stammer rutinemessig skaffer seg ny funksjonalitet GJENNOM HGT, er det derfor nødvendig med mer presise estimater av tidsskalaen for HGT.for å måle FREKVENSEN AV HGT på kortere tidsskalaer, sammenlignet vi mengden overføring observert mellom bakterier isolert fra samme individ med det observert mellom bakterier fra forskjellige individer. Vi antydet at hvis overføringshastigheten var rask i forhold til den typiske oppholdstiden for en bakteriell avstamning som koloniserte menneskekroppen, ville vi observere høyere nivåer av overføring mellom stammer isolert fra samme vert. Alternativt, hvis tidsskalaen for overføring var tilstrekkelig lengre enn en menneskelig levetid, ville vi observere lignende nivåer mellom bakterier uansett om de var isolert fra samme vert. For å fokusere vår analyse på de siste hendelsene, så vi etter store blokker (> 10kb) av 100% identisk DNA, tilsvarende HGT-hendelser som skjedde mellom 0 og ~100 år siden, selv om vi også bekrefter våre funn ved hjelp av kortere mobile elementer med lengde større enn 500bp. I denne studien fokuserer vi bare på overføringer som forekommer mellom bakteriearter, og ignorerer genrekombinasjonshendelser innen arter.Eksisterende referanseisolatgenomer 4,15 – 19 kan ikke brukes til å teste for direkte genoverføring mellom to bakterier i mennesker, fordi nesten alle disse stammene ble isolert fra forskjellige individer. I tillegg ble disse referansesamlingene samplet nesten utelukkende fra industrialiserte befolkninger, og gjenspeiler ikke mangfoldet av menneskelig livsstil. Derfor analyserte vi hele genomene av 6,188 nykulturerte bakterieisolater ved hjelp av avføringsprøver samlet fra 34 personer i 9 menneskelige populasjoner over hele verden: Hadza Og Datoga i Tanzania, Beti og Baka populasjoner I Kamerun, inuitter i Kanadisk Arktis, Samiske og finske individer I Finland, og individer Fra En Northern Plains Stamme I Montana og Fra Boston-området I USA; Supplerende Figur 1 & Supplerende Tabell 1 for en beskrivelse av livsstil). Vi grupperte bakterielle genomer i artsklynger basert på genomisk likhet (ved Å bruke Mash-avstanden som en proxy for Gjennomsnittlig Nukleotididentitet, se Metoder). Disse genomene representerer 253 bakteriearter på tvers av 6 phyla, gruppering i 62 kjente og 54 ukjente slekter (Figur 1a & Supplerende Tabeller 2 & 3 for dyrkningsdata og genommonteringsstatistikk). De samplede menneskelige populasjoner hadde ulike genetiske bakgrunn og svært ulike livsstil, alt fra industrialisert til jeger-sanker samfunn. Vi samplet mange bakterielle isolater av ulike arter innenfor hver enkelt, og oppdaget tusenvis av nyere HGTs i våre genomiske data: totalt fanget vi 134 958 mobile elementer på tvers av flere bakteriearter, både innenfor og mellom mennesker. 57% av bakteriegenene (3556/6188) var involvert i minst en NYLIG HGT-hendelse (Figur 1a), noe som indikerer AT HGT er uheldig i den moderne menneskelige tarmen.

Vi fant at bakterieartpar som er samplet i mennesker, har større sannsynlighet for å dele nylig overført DNA enn de samme artsparene som er samplet fra to forskjellige personer (antall observerte HGT-hendelser innen person ble sammenlignet med forventet antall hendelser basert på antall hendelser mellom person, korrigering for artssammensetning Og ujevn prøvetakingsdybde, Figur 1b, p-verdi < 2.2×10-16, Se Metoder), og dette signalet drives av mange forskjellige bakteriearter som dekker ulike taksonomiske grupper (Figur 1a & 1B). Dette resultatet antyder at tidsskalaen FOR HGT er kort. Strengt tatt kan vi ikke skille mellom overføringer som skjedde i verten av opprinnelse fra de som kan ha skjedd i en verts foreldre eller til og med besteforeldre. Det er imidlertid usannsynlig at en stor brøkdel av overføringer skjedde før kolonisering av verten fordi den totale frekvensen AV HGT er stor i forhold til arv av stammer fra en forelder (se diskusjon I Supplerende Informasjon). Disse resultatene er robuste for opplysningene i vår analyse: en økning I HGT frekvens hos individer replikeres ved å begrense analyser til innenfor hver av våre samplede populasjoner, eller når man vurderer 5.126.962 mobile elementer større enn 500bp som er fordelt på 98% (6068/6188) av våre genomer (p-verdi < 2,2×10-16) (Figur 1a & supp fig. 2 & 3). Sammen tyder disse resultatene på At HGTs forekommer på tidsskalaer som er tilstrekkelig korte til å omforme tarmsamfunnsfunksjoner omfattende og kontinuerlig i løpet av individets levetid.Fordi HGT-frekvensen primært drives av overføringer som forekommer blant nært beslektede organismer, som har en tendens til å utveksle flere gener sammen enn fjernt relaterte arter, undersøkte VI HGT-frekvensen over en rekke fylogenetiske avstander. Vi viser at fylogenetisk slektskap er en sterk pådriver for HGTs samlet (nærmere beslektede arter som overfører flere gener, Lineær Mixed Effects model fit test, p-verdi < 2.2×10-16), og at den sterke anrikningen for overføring innen enkeltpersoner i forhold til mellom individer skjer over alle fylogenetiske avstander (Figur 2a), som gjelder selv når man vurderer alle Hgter større enn 500bp(Supplerende Figur 4).

etter å ha etablert den raske tidsskalaen FOR HGT, spurte vi deretter hvilke faktorer som driver genutvekslingsfrekvensen i menneskets tarm. Vi antydet at par av svært rikelig arter i et gitt økosystem ville ha en høyere sannsynlighet for genutveksling sammenlignet med par som involverer minst en lav overflod arter, uavhengig av deres fylogenetiske avstand, selv om vi tidligere hevdet mot en viktig rolle for overflod i å kontrollere HGT frekvens 1. Denne hypotesen hadde aldri blitt direkte testet fordi datasett som parret grundig genomisk prøvetaking med nøyaktige overflodestimater, ikke eksisterte ennå. For å teste overflodshypotesen genererte vi metagenomiske data for avføringsprøver som vi hadde dyrket bakterielle isolater fra, og beregnet gjennomsnittlig overflod av hver bakterieart i hver person ved å kartlegge metagenomiske leser mot isolatgenomene (se Metoder). Vi fant at artsoverflod er en sterk determinant AV HGT (Linear Mixed Effects model fit test, p-verdi = 1,4×10-11), uavhengig av fylogeni (Figur 2b), som replikeres når man ser på Alle Hgt større enn 500bp (Supplerende Figur 5). Rikelig bakterier er mer sannsynlig å engasjere SEG I HGT med andre rikelig bakterier, som er i samsvar med DE kanoniske mekanismer FOR HGT (f.eks konjugering, transformasjon og transduksjon 20) som involverer celle-til-celle kontakt eller tilgang til fritt DNA i miljøet.Siden HGT er drevet av fylogenetisk avstand og overflod, og overflod er lik på tvers av individer innenfor en vertspopulasjon 5, antydet vi at de samme tarmbakteriene ville bytte gener på tvers av individer. For å teste denne hypotesen sammenlignet vi hgt-frekvenser for bakteriearter som deles av minst 4 personer i VÅR usa-kohort. Vi fant AT HGT frekvens er homogen på tvers av mennesker for de fleste bakteriearter (den observerte gjennomsnittlige standardavviket for innen-person HGT frekvens på tvers av mennesker ble sammenlignet med forventet fordeling ved hjelp av en randomiseringstest med 1,000 permutasjoner, p-verdi < 0,001, Supplerende Figur 6). Dette antyder at kjernesettet av rikelige linjer som deles av individer innenfor en gitt befolkning, representerer et kjernenettverk av genutveksling som gjør det mulig for bakterielle linjer å tilpasse seg vanlige selektive trykk som virker i vertspopulasjonen.Vi spurte deretter om arkitekturen til cellekuvert bidrar til forskjeller i HGT-frekvens, uavhengig av fylogeni og overflod. Vi brukte referansegram-fargedata for hver bakterieart som en proxy for celleveggarkitektur, for å skille gram-positive monodermbakterier (enkelt cytoplasmisk membran og et tykt peptidoglykanlag) fra gram-negative didermbakterier (to membraner som omgir et tynt peptidoglykanlag). Vi fant at didermbakterier engasjerer oftere I Hgter enn monodermbakterier, uavhengig av fylogeni og overflod (p-verdi = 1×10-3, Figur 2c), som også observeres ved vurdering av Alle Hgter større enn 500bp (Supplerende Figur 7). Interessant NOK var HGT-frekvensen mellom to didermbakterier lik HGT-frekvensen mellom en monoderm og en didermbakterier, noe som tyder på at didermbakterier har overføringsmekanismer som tillater DEM å dele DNA-materiale med et mye bredere spekter av genetiske bakgrunner.Overgang fra ikke-industrialisert til industrialisert livsstil er forbundet med drastiske endringer i mikrobiomdiversitet og sammensetning 21-23. Imidlertid er lite kjent om hvordan disse livsstilsovergangene påvirket mønstrene av genutveksling i den menneskelige tarmmikrobiomet.for å teste om menneskelige populasjoner med en industrialisert livsstil har forskjellige HGT-mønstre sammenlignet med populasjoner med ikke-industrialiserte livsstil, så vi på artsparene i datasettet vårt som deles av personer som bor I USA (Boston-området) og enkeltpersoner som bor i en av de fire populasjonene som vi har størst utvalg av bakteriearter fra: Hadza (jegere og samlere), Datoga (pastoralister), Beti (jordbrukere) og Baka (for tiden overgang fra en jeger-samler til en agriculturalist livsstil). For hvert bakterieartepar beregnet vi gjennomsnittlig hgt-frekvens på menneskelig befolkningsnivå, og så på delte identiske (100%) DNA-blokker som er større enn 500bp. Overraskende fant vi at artspar som ble samplet i den amerikanske industrialiserte populasjonen utvekslet gener oftere enn når de finnes i ikke-industrialiserte populasjoner (antall observerte IKKE-industrialiserte populasjoner HGT-hendelser ble sammenlignet med forventet antall hendelser basert på antall industrialiserte populasjonshendelser, korrigering for artssammensetning og ujevn prøvetakingsdybde, p-verdi < 2,2×10-16, Se Metoder) (Figur 3A). Denne effekten gjelder når man begrenser analysen til hver ikke-industrialisert befolkning individuelt sammenlignet med USA (Figur 3B). Samlet sett viser disse resultatene for første gang at vert livsstil former genoverføringsfrekvenser i den menneskelige tarmmikrobiomet. Disse resultatene tyder også på at overgang til industrialiserte livsstil resulterte i en drastisk økning i genoverføringer innen tarmmikrobiomet, potensielt på grunn av økte miljøforstyrrelser til tarmbakteriepopulasjoner.

vi begrunnet at HVIS HGT skjer på svært korte tidsskalaer, da den type gener som overføres bør gjenspeile den unike selektive trykk forbundet med ulike individuelle verter og populasjoner 24. Ved hjelp av genoverføringer som involverer artspar funnet i BÅDE USA-befolkningen og Enten Hadza -, Beti-eller Datoga-folkene, sammenlignet vi først brede funksjonelle kategoriprofiler og fant at de var forskjellige på tvers av livsstil (Figur 4A, chi-square Goodness-of-fit test, p-verdier < 0,001).