Industrialisatie wordt geassocieerd met verhoogde percentages van horizontale genoverdracht in het menselijke microbioom

hoofdtekst

darmbacteriën die in symbiose met mensen leven, hebben in de loop van de evolutionaire tijd hoge percentages van horizontale genoverdracht (HGT) ervaren, ten minste bij individuen in geïndustrialiseerde landen 1,2. Toch blijft het onduidelijk hoe de tarieven van HGT met typische bacteriële verblijfstijd in de menselijke darm vergelijken, en hoe de levensstijl van de menselijke gastheer het tarief van HGT en het type overgedragen genen zou kunnen beïnvloeden.

als de tijdschaal van overdracht langzamer is dan de tijd van verblijf binnen de gastheer, dan zullen individuele microbiomen voornamelijk nieuwe functies verwerven door het verwerven van nieuwe stammen. Nochtans, als het tarief van overdracht voldoende snel is, dan kon microbiome die ‘stabiel’ in termen van bacteriële bevolking 3-5 niettemin in reactie op gastheer-specifieke milieuverstoringen door HGT evolueren, misschien in reactie op dieet of veranderingen in culturele praktijken.

specifieke voorbeelden tonen aan dat HGT kan voorkomen binnen een enkele individuele 6-10, vooral wanneer er een sterke selectie voor doelfuncties zoals antibioticaresistentie 11-13. Maar welke fractie van species in menselijke microbiome genen van een andere species in hun recentste menselijke gastheer heeft verworven, en hoe vergelijkt de tijdschaal van HGT met de tijdschaal van menselijke kolonisatie? In onze vorige studie 1, hebben we ons gericht op HGTs met sequenties met gelijkenis hoger dan 99% en lengte hoger dan 500bp. Door aan te nemen een typische moleculaire klok van ~1 SNP/genoom/jaar 14 en genoom grootte van 106 bp, zijn deze criteria consistent met overdracht gebeurtenissen die tussen 0 en 10.000 jaar geleden gebeurde. Aldus, om de vraag te beantwoorden of commensale spanningen routinematig nieuwe functionaliteit door HGT verwerven, zijn nauwkeurigere schattingen van de tijdschaal voor HGT nodig.

om de snelheid van HGT op kortere tijdschalen te meten, vergeleken we de hoeveelheid overdracht waargenomen tussen bacteriën geïsoleerd van binnen hetzelfde individu met die waargenomen tussen bacteriën van verschillende individuen. We veronderstelden dat als de overdrachtsnelheid snel was in vergelijking met de typische verblijfstijd van een bacteriële afstamming die het menselijk lichaam koloniseert, we hogere niveaus van overdracht zouden waarnemen tussen stammen die geïsoleerd zijn van dezelfde gastheer. Als alternatief, als de tijdschaal voor overdracht voldoende langer was dan een menselijke levensduur, dan zouden we vergelijkbare niveaus tussen bacteriën waarnemen, ongeacht of ze geïsoleerd waren van dezelfde gastheer. Om onze Analyse te richten op de meest recente gebeurtenissen, zochten we naar grote blokken (>10kb) van 100% identiek DNA, overeenkomend met HGT gebeurtenissen die tussen 0 en ~100 jaar geleden plaatsvonden, hoewel we onze bevindingen ook bevestigen met behulp van kortere mobiele elementen met een lengte groter dan 500bp. In deze studie, richten we ons alleen op overdrachten tussen bacteriële species, het negeren van binnen-species gen recombinatie gebeurtenissen.

bestaande referentie-isolaat genomen 4,15-19 kunnen niet worden gebruikt om te testen op directe genoverdracht tussen twee bacteriën binnen mensen, omdat bijna al deze stammen werden geïsoleerd uit verschillende individuen. Bovendien werden deze referentieverzamelingen bijna uitsluitend uit geïndustrialiseerde populaties bemonsterd en weerspiegelen ze niet de diversiteit van de menselijke levensstijl. Daarom analyseerden we het hele genomen van 6,188 nieuw gekweekte bacteriële isolaten met behulp van ontlasting monsters verzameld van 34 individuen in 9 menselijke populaties wereldwijd: de Hadza-en Datoga-populaties in Tanzania, De Beti-en Baka-populaties in Kameroen, de Inuit-individuen in het Canadese Noordpoolgebied, de Sami-en Finse individuen in Finland, en individuen van een noordelijke Vlaktestam in Montana en uit het Boston-gebied in de VS; aanvullend figuur 1 & aanvullende tabel 1 voor een beschrijving van levensstijl). We groepeerden bacteriële genomen in soortenclusters die op genomische gelijkenis worden gebaseerd (gebruikend de Mashafstand als proxy van de gemiddelde Nucleotideidentiteit, zie methodes). Deze genomen vertegenwoordigen 253 bacteriesoorten in 6 phyla, gegroepeerd in 62 bekende en 54 Onbekende geslachten (figuur 1A & aanvullende tabellen 2 & 3 voor kweekgegevens en genoomassemblagestatistieken). De bemonsterde menselijke populaties hadden verschillende genetische achtergronden en zeer verschillende levensstijlen, variërend van geïndustrialiseerde tot jager-verzamelaars gemeenschappen. We hebben vele bacteriële isolaten van verschillende soorten binnen elk individu bemonsterd, en duizenden recente HGT ‘ s gedetecteerd in onze genomische gegevens: in totaal hebben we 134.958 mobiele elementen over meerdere bacteriesoorten verzameld, zowel binnen als tussen mensen. 57% van de bacteriële genomen (3556/6188) waren betrokken bij ten minste één recente HGT-gebeurtenis (figuur 1A), die erop wijst dat HGT welig tiert in de hedendaagse menselijke darm.

We vonden dat bacteriesoorten paren die binnen mensen werden bemonsterd, eerder recent overgedragen DNA delen dan dezelfde soortenparen die werden bemonsterd van twee verschillende personen (het aantal waargenomen HGT-gebeurtenissen binnen de persoon werd vergeleken met het verwachte aantal gebeurtenissen gebaseerd op het aantal gebeurtenissen tussen de persoon, gecorrigeerd voor soortensamenstelling en ongelijke bemonsteringsdiepte, figuur 1B, p-waarde < 2.2×10-16, zie methoden), en dit signaal wordt aangestuurd door veel verschillende bacteriesoorten die verschillende taxonomische groepen bestrijken (figuur 1A & 1B). Dit resultaat suggereert dat de tijdschaal voor HGT kort is. Strikt genomen kunnen we geen onderscheid maken tussen overdrachten die hebben plaatsgevonden in de gastheer van herkomst en overdrachten die kunnen hebben plaatsgevonden in de ouder of zelfs grootouder van een gastheer. Nochtans, is het onwaarschijnlijk dat een grote fractie van overdrachten vóór kolonisatie van de gastheer voorkwam omdat het algemene tarief van HGT groot in vergelijking met het tarief van overerving van spanningen van een ouder is (zie bespreking in aanvullende informatie). Deze resultaten zijn robuust voor de bijzonderheden van onze Analyse: een toename van de HGT-frequentie binnen individuen wordt gerepliceerd wanneer de analyses worden beperkt tot binnen elk van onze bemonsterde populaties, of wanneer wordt gekeken naar de 5.126.962 mobiele elementen groter dan 500bp die zijn verdeeld over 98% (6068/6188) van onze genomen (p-waarde < 2,2×10-16) (figuur 1A & Supp Fig. 2 & 3). Samen suggereren deze resultaten dat HGTs zich voordoen op tijdschalen die voldoende kort zijn om de functies van de darmgemeenschap uitgebreid en continu tijdens het leven van een individu te hervormen.

omdat de HGT-frequentie hoofdzakelijk door overdrachten wordt gedreven die tussen nauw verwante organismen voorkomen, die neigen om meer genen samen dan ver-verwante species uit te wisselen, bestudeerden wij de HGT-frequentie over een waaier van fylogenetische afstanden. We tonen aan dat fylogenetische verwantschap een sterke aanjager is van HGTs in het algemeen (meer nauw verwante soorten die meer genen overdragen, Linear Mixed Effects model fit test, p-waarde < 2.2×10-16), en dat de sterke verrijking voor overdracht binnen individuen in vergelijking met tussen individuen over alle fylogenetische afstanden (figuur 2A) voorkomt, die zelfs geldt wanneer het overwegen van alle Hgts groter dan 500bp (aanvullend Figuur 4).

nadat we de snelle tijdschaal van HGT hadden vastgesteld, vroegen we vervolgens welke factoren de frequentie van de genuitwisseling in de menselijke darm bepalen. Wij veronderstelden dat paren van hoogst overvloedige species in een bepaald ecosysteem een hogere waarschijnlijkheid van genuitwisseling zouden hebben in vergelijking met paren die minstens één laag-overvloed species impliceren, onafhankelijk van hun phylogenetic afstand, Hoewel wij eerder tegen een belangrijke rol voor overvloed in het controleren van HGT frequentie 1 argumenteerden. Deze hypothese was nooit direct getest omdat datasets die diepgaande genomic bemonstering met nauwkeurige overvloed schattingen in paren rangschikte nog niet bestonden. Om de abundantiehypothese te testen, produceerden wij metagenomic gegevens voor de stoelsteekproeven waarvan wij bacteriële isolaten hadden gekweekt, en berekenden de gemiddelde abundantie van elke bacteriële species binnen elke persoon door metagenomic leest tegen de isolaat genomen in kaart te brengen (zie methodes). Wij vonden dat species abundant een sterke determinant van HGT is (Lineaire gemengde effects Model fit test, p-waarde = 1.4×10-11), onafhankelijk van fylogenie (figuur 2B), die wanneer het kijken naar alle Hgts groter is dan 500bp (aanvullend Figuur 5) wordt gerepliceerd. De overvloedige bacteriën zullen eerder in HGT met andere overvloedige bacteriën in dienst nemen, die met de canonical mechanismen van HGT (b.v. vervoeging, transformatie en transductie 20) consistent zijn die cel-aan-celcontact of toegang tot vrije DNA in het milieu impliceren.

aangezien HGT door fylogenetische afstand en overvloed wordt gedreven, en de overvloed over individuen binnen een gastheerpopulatie gelijkaardig is 5, veronderstelden wij dat de zelfde bacteriële species van de darm genen over individuen zouden uitwisselen. Om deze hypothese te testen, vergeleken wij HGT frequenties voor bacteriële speciesparen die door een minimum van 4 individuen binnen onze cohort van de V. S. worden gedeeld. We vonden dat de HGT-frequentie homogeen is over mensen voor de meerderheid van de bacteriesoorten (de waargenomen gemiddelde standaardafwijking van de HGT-frequentie binnen de persoon over mensen werd vergeleken met de verwachte verdeling met behulp van een randomisatietest met 1.000 permutaties, p-waarde < 0,001, aanvullend Figuur 6). Dit stelt voor dat de kernreeks van overvloedige die lijnen door individuen binnen een bepaalde bevolking worden gedeeld een kernnetwerk van genuitwisseling vertegenwoordigt die bacteriële lijnen toestaat om zich aan gemeenschappelijke selectieve druk aan te passen die in de gastheerpopulatie handelen.

vervolgens vroegen we ons af of de architectuur van celenveloppen bijdraagt aan verschillen in HGT-frequentie, onafhankelijk van fylogenie en overvloed. We gebruikten referentiegramkleuring gegevens voor elke bacteriële species als een proxy van celwandarchitectuur, om grampositieve monoderm bacteriën (enkel cytoplasmisch membraan en een dikke peptidoglycaanlaag) te scheiden van gramnegatieve diderm bacteriën (twee membranen rondom een dunne peptidoglycaanlaag). We vonden dat diderm bacteriën vaker in HGTs dan monoderm bacteriën, onafhankelijk van fylogenie en abundantie (p-waarde = 1×10-3, figuur 2C), die ook wordt waargenomen bij alle HGTs groter dan 500bp (aanvullende Figuur 7). Interessant, was de frequentie van HGT tussen twee diderm-bacteriën gelijkaardig aan de frequentie van HGT tussen monoderm en diderm-bacteriën, die voorstellen dat diderm-bacteriën overdrachtsmechanismen hebben die hen toestaan om DNA-materiaal met een veel breder spectrum van genetische achtergronden te delen.de overgang van niet-geà ndustrialiseerde naar geà ndustrialiseerde levensstijlen gaat gepaard met drastische veranderingen in de diversiteit en samenstelling van microbioom 21-23. Nochtans, is weinig gekend over hoe deze levensstijlovergangen de patronen van genuitwisseling in menselijke darm microbiome beà nvloedden.

om Te testen of de menselijke populaties met een geïndustrialiseerde levensstijl hebben verschillende PUNTO patronen vergeleken met populaties met niet-geïndustrialiseerde levensstijl, hebben we gekeken naar de soorten paren in onze dataset die worden gedeeld door individuen die in de verenigde staten (Boston) en individuen die in een van de vier populaties waaruit we hebben de grootste bemonstering van bacteriële soorten: de Hadza (jager-verzamelaars), de Datoga (veehouders), de Beti (landbouwondernemingen) en de Baka (momenteel de overgang van een jager-verzamelaar naar een agriculturalist levensstijl). Voor elk bacterieel speciespaar, berekenden wij de gemiddelde HGT frequentie op het menselijke bevolkingsniveau, die gedeelde identieke (100%) blokken van DNA bekijken die groter zijn dan 500bp. Verrassend, vonden we dat soort paren bemonsterd in de VS geïndustrialiseerde bevolking uitgewisseld genen vaker dan wanneer ze zijn gevonden in niet-geïndustrialiseerde populaties (het aantal waargenomen niet-geïndustrialiseerde bevolking PUNTO gebeurtenissen werd vergeleken met het verwachte aantal gebeurtenissen op basis van het aantal geïndustrialiseerde bevolking evenementen, het corrigeren voor de soortensamenstelling en ongelijke bemonsteringsdiepte, p-waarde < 2.2×10-16, zie Methoden) (Figuur 3A). Dit effect geldt wanneer de analyse wordt beperkt tot elke niet-geïndustrialiseerde bevolking afzonderlijk in vergelijking met de VS (figuur 3B). Samen genomen, tonen deze resultaten voor het eerst dat de gastheerlevensstijl de frequenties van de genoverdracht in het menselijke darmmicrobioom vormt. Deze resultaten stellen ook voor dat de overgang naar geïndustrialiseerde levensstijlen in een drastische verhoging van genoverdrachten binnen darm microbiome resulteerde, potentieel toe te schrijven aan verhoogde milieuverstoringen aan darmbacteriële bevolking.

we redeneerden dat als HGT op zeer korte tijdschalen optreedt, het type genen dat wordt overgedragen de unieke selectieve druk moet weerspiegelen die geassocieerd is met verschillende individuele gastheren en populaties 24. Met behulp van genoverdrachten waarbij soortenparen werden aangetroffen in zowel de Amerikaanse populatie als de Hadza -, Beti-of Datoga-volken, vergeleken we eerst brede functionele categorieprofielen en vonden we dat ze verschilden tussen levensstijlen (figuur 4A, chi-square Goodness-of-fit test, p-waarden < 0,001).

na te hebben aangetoond dat er grote functionele verschillen bestaan tussen de typen genen die in verschillende populaties worden overgedragen, hebben we ons gericht op genen die betrokken zijn bij functies waarvan we dachten dat ze kunnen verschillen tussen populaties, waaronder genen die betrokken zijn bij mobiele elementen (faag, plasmide, transposon), antibioticaresistentie en koolhydraatafbrekende (CAZyme) functies. We vonden dat darmbacteriën in geïndustrialiseerde populaties hogere relatieve hoeveelheden plasmide, transposon en faagelementen uitwisselden (figuur 4B, twee-proporties Z-tests, gecorrigeerde p-waarden < 0.001), consistent met algemene hogere niveaus van HGT. Hadza en Beti individuen, die grote hoeveelheden niet-verteerbare vezels consumeren, gastheer darmbacteriën die cazyme genen uitwisselen met hogere frequenties dan individuen die in de VS wonen (figuur 4B). Zeer hoge overdrachtfrequenties van antibioticaresistentiegenen werden ook gevonden in de darmmicrobiomen van datoga-individuen. De datoga zijn herders, fokken voornamelijk runderen, en consumeren hoge niveaus van vlees en zuivelproducten van hun dieren. Net als andere pastorale boeren in het noorden van Tanzania, geven ze antibiotica aan hun kuddes 25,26. Onze resultaten suggereren dat deze recente landbouwpraktijken het fitnesslandschap in de darmen van Datoga mensen snel veranderden en de patronen van genoverdracht binnen hun microbiomen al hebben beïnvloed. Aangezien het gebruik van commerciële antimicrobiële stoffen nu wijdverbreid is onder pastoralistische populaties in ontwikkelingslanden, kunnen vergelijkbare effecten optreden bij veel populaties wereldwijd met een bredere impact op de verspreiding van antimicrobiële resistentie buiten de kliniek.

talrijke studies hebben onderzocht hoe veranderingen in dieet en klinische interventies zoals fecale microbiota transplantaties 27,28 invloed hebben op de samenstelling van het darmmicrobioom. Maar het afleiden van mechanistisch begrip uit compositorische veranderingen is moeilijk. Onze studie onthult dat HGTs binnen darmmicrobioom de unieke selectieve druk van elke menselijke gastheer weerspiegelen. Aldus, kunnen de patronen van HGT dan worden gebruikt om selectieve krachten te identificeren die binnen elk individu handelen en om een meer mechanistisch begrip van deze gebeurtenissen te bereiken. Onze resultaten tonen ook aan dat het gehele genoom rangschikkend gegevens informatie over gepersonaliseerde microbiome functie op een niveau van precisie verstrekt dat de populaire benaderingen, zoals 16S amplicon en metagenomic rangschikkend, niet kunnen bereiken. Tot slot, is het hoge tarief van HGT in de menselijke darm waarschijnlijk een recente ontwikkeling in reactie op geïndustrialiseerde levensstijl, die verder door drastische veranderingen in de aard van genen werd vergezeld die worden uitgewisseld. Wij kunnen nog niet volledig de gevolgen van deze verschuivingen in HGT frequentie en functie op menselijke gezondheid waarderen.