Uprzemysłowienie wiąże się z podwyższonym tempem poziomego transferu genów w ludzkim mikrobiomie

tekst główny

bakterie jelitowe żyjące w symbiozie z ludźmi doświadczyły wysokiego tempa poziomego transferu genów (HGT) w czasie ewolucji, przynajmniej u osób w krajach uprzemysłowionych 1,2. Jednak pozostaje niejasne, jak wskaźniki HGT porównują się do typowego czasu przebywania bakterii w jelitach ludzkich i jak styl życia ludzkiego gospodarza może wpływać na szybkość HGT i rodzaj przenoszonych genów.

Jeśli czas transferu jest wolniejszy niż czas przebywania wewnątrz-gospodarza, wówczas poszczególne mikrobiomy będą przede wszystkim nabywać nowe funkcje poprzez pozyskiwanie nowych szczepów. Jeśli jednak szybkość transferu jest wystarczająco szybka, wówczas mikrobiom, który jest „stabilny” pod względem populacji bakterii 3-5, może jednak ewoluować w odpowiedzi na specyficzne dla gospodarza perturbacje środowiskowe poprzez HGT, być może w odpowiedzi na dietę lub zmiany w praktykach kulturowych.

konkretne przykłady pokazują, że HGT może wystąpić u pojedynczego osobnika 6-10, zwłaszcza gdy istnieje silna selekcja dla docelowych funkcji, takich jak oporność na antybiotyki 11-13. Ale jaka część gatunków w ludzkim mikrobiomie nabyła geny od innego gatunku w ich najnowszym ludzkim gospodarzu i jak skala czasowa HGT porównuje się do skali czasowej ludzkiej kolonizacji? W naszym poprzednim badaniu 1 skupiliśmy się na HGT obejmujących sekwencje o podobieństwie wyższym niż 99% i długości wyższej niż 500bp. Przyjmując typowy zegar molekularny ~1 SNP / Genom / rok 14 i rozmiar genomu 106 bp, kryteria te są zgodne ze zdarzeniami transferowymi, które miały miejsce między 0 a 10 000 lat temu. Tak więc, aby odpowiedzieć na pytanie, czy szczepy komensalne rutynowo nabywają nową funkcjonalność poprzez HGT, potrzebne są dokładniejsze oszacowania skali czasowej dla HGT.

aby zmierzyć szybkość HGT w krótszych skalach czasowych, porównaliśmy ilość transferu zaobserwowanego między bakteriami wyizolowanymi od tego samego osobnika z ilością zaobserwowaną między bakteriami od różnych osób. Postawiliśmy hipotezę, że jeśli szybkość transferu byłaby szybka w porównaniu do typowego czasu przebywania bakterii kolonizujących Ludzkie ciało, wtedy zaobserwowalibyśmy wyższy poziom transferu pomiędzy szczepami wyizolowanymi od tego samego żywiciela. Alternatywnie, gdyby czas transferu był wystarczająco dłuższy niż długość życia człowieka, wówczas zaobserwowalibyśmy podobne poziomy pomiędzy bakteriami niezależnie od tego, czy zostały wyizolowane od tego samego żywiciela. Aby skoncentrować naszą analizę na najnowszych zdarzeniach, szukaliśmy dużych bloków (>10KB) o 100% identycznym DNA, odpowiadających zdarzeniom HGT, które miały miejsce między 0 a ~100 lat temu, chociaż potwierdzamy również nasze odkrycia przy użyciu krótszych elementów ruchomych o długości większej niż 500bp. W tym badaniu skupiamy się wyłącznie na transferach zachodzących między gatunkami bakterii, ignorując zjawiska rekombinacji genów wewnątrzgatunkowych.

istniejący izolat odniesienia genomy 4,15–19 nie może być użyty do badania bezpośredniego transferu genów pomiędzy dwoma bakteriami wewnątrz ludzi, ponieważ prawie wszystkie te szczepy zostały wyizolowane od różnych osobników. Ponadto te zbiory referencyjne zostały pobrane prawie wyłącznie z populacji uprzemysłowionych i nie odzwierciedlają różnorodności ludzkiego stylu życia. Dlatego przeanalizowaliśmy całe genomy 6188 nowo wyhodowanych izolatów bakteryjnych przy użyciu próbek kału pobranych od 34 osób w 9 populacjach ludzkich na całym świecie: Hadza i Datoga w Tanzanii, populacje Beti i Baka w Kamerunie, Inuici w Arktyce kanadyjskiej, Sami i fińscy w Finlandii oraz osobniki z plemienia północnych równin w Montanie i z okolic Bostonu w USA; dodatkowa rycina 1 & dodatkowa Tabela 1 dla opisu stylu życia). Pogrupowaliśmy genomy bakterii w klastry gatunkowe na podstawie podobieństwa genomowego(wykorzystując odległość zacieru jako pośrednika średniej tożsamości nukleotydów, patrz metody). Genomy te reprezentują 253 gatunki bakterii w 6 fylach, grupując je w 62 znane i 54 nieznane rodzaje (Fig.1a & dodatkowe tabele 2 & 3 dla danych dotyczących hodowli i statystyki montażu genomu). Badane populacje ludzkie miały różne pochodzenie genetyczne i bardzo odmienny styl życia, Od uprzemysłowionych po społeczności łowiecko-zbierackie. Pobraliśmy próbki wielu izolatów bakteryjnych różnych gatunków w obrębie każdego osobnika i wykryliśmy tysiące ostatnich HGT w naszych danych genomowych: w sumie przechwyciliśmy 134 958 ruchomych elementów w wielu gatunkach bakterii, zarówno wewnątrz, jak i między ludźmi. 57% genomów bakteryjnych (3556/6188) uczestniczyło w co najmniej jednym niedawnym zdarzeniu HGT (Fig.1a), co wskazuje, że HGT szaleje we współczesnych jelitach człowieka.

odkryliśmy, że pary gatunków bakterii pobrane u ludzi częściej współdzielą niedawno przeniesione DNA niż te same pary gatunków pobrane od dwóch różnych osób (liczbę obserwowanych wewnątrzosobniczych zdarzeń HGT porównano z oczekiwaną liczbą zdarzeń w oparciu o liczbę zdarzeń międzyosobniczych, korygując skład gatunkowy i nierówną głębokość pobierania próbek, Fig.1B, wartość p < 2.2×10-16, patrz metody), a sygnał ten jest napędzany przez wiele różnych gatunków bakterii obejmujących różne grupy taksonomiczne (rysunek 1a & 1B). Wynik ten sugeruje, że ramy czasowe dla HGT są krótkie. Ściśle mówiąc, nie możemy odróżnić transferów, które miały miejsce u gospodarza pochodzenia od tych, które mogły mieć miejsce u rodzica lub nawet dziadka gospodarza. Jest jednak mało prawdopodobne, aby duża część transferów nastąpiła przed kolonizacją gospodarza, ponieważ ogólny wskaźnik HGT jest duży w porównaniu do wskaźnika dziedziczenia szczepów od rodzica (patrz dyskusja w informacji uzupełniającej). Wyniki te są zgodne ze szczegółami naszej analizy: wzrost częstotliwości HGT u osób jest replikowany, gdy ograniczamy analizy do każdej z naszych populacji, lub gdy rozważamy 5 126 962 elementy ruchome większe niż 500bp, które są rozproszone w 98% (6068/6188) naszych genomów (wartość p < 2,2×10-16) (rysunek 1a & / div > SUPP rys. 2 & 3). Łącznie wyniki te sugerują, że HGT występują w skalach czasowych, które są wystarczająco krótkie, aby szeroko i nieprzerwanie zmieniać funkcje społeczności jelitowej podczas życia jednostki.

ponieważ częstotliwość HGT jest napędzana głównie przez transfery zachodzące między blisko spokrewnionymi organizmami, które mają tendencję do wymiany więcej genów razem niż gatunki odległe, zbadaliśmy częstotliwość HGT na różnych odległościach filogenetycznych. Pokazujemy, że pokrewieństwo filogenetyczne jest silnym motorem hgts (bliżej spokrewnione gatunki przenoszące więcej genów, liniowy Test dopasowania modelu efektów mieszanych, wartość p < 2.2×10-16), oraz że silne wzbogacenie dla transferu wewnątrz osobników w porównaniu do między osobnikami występuje na wszystkich odległościach filogenetycznych (ryc. 2A), co jest prawdziwe nawet przy rozważaniu wszystkich HGT większych niż 500bp (dodatkowa ryc. 4).

Po ustaleniu szybkiej skali czasowej HGT, następnie zapytaliśmy, jakie czynniki napędzają częstotliwość wymiany genów w jelitach człowieka. Postawiliśmy hipotezę, że pary bardzo obfitych gatunków w danym ekosystemie będą miały większe prawdopodobieństwo wymiany genów w porównaniu z parami obejmującymi co najmniej jeden gatunek o niskiej liczebności, niezależnie od ich odległości filogenetycznej, chociaż wcześniej argumentowaliśmy przeciwko głównej roli obfitości w kontrolowaniu częstotliwości HGT 1. Hipoteza ta nigdy nie została bezpośrednio przetestowana, ponieważ zbiory danych, które sparowały dogłębne pobieranie próbek genomowych z dokładnymi szacunkami liczebności, jeszcze nie istniały. Aby przetestować hipotezę obfitości, wygenerowaliśmy dane metagenomiczne dla próbek stolca, z których hodowaliśmy Izolaty bakteryjne, i obliczyliśmy średnią obfitość każdego gatunku bakterii w każdej osobie, mapując odczyty metagenomiczne przeciwko izolowanym genomom (patrz metody). Odkryliśmy, że obfitość gatunków jest silnym wyznacznikiem HGT (Linear Mixed Effects model fit test, wartość p = 1,4×10-11), niezależnie od filogenezy (rysunek 2b), która jest replikowana przy patrzeniu na wszystkie HGT większe niż 500bp (dodatkowa figura 5). Obfite bakterie częściej angażują się w HGT z innymi obfitymi bakteriami, co jest zgodne z kanonicznymi mechanizmami HGT (np. koniugacja, transformacja i transdukcja 20), które obejmują kontakt komórki z komórką lub dostęp do wolnego DNA w środowisku.

ponieważ HGT jest napędzany przez filogenetyczną odległość i obfitość, a obfitość jest podobna wśród osób w populacji gospodarza 5, postawiliśmy hipotezę, że te same gatunki bakterii jelitowych wymieniałyby geny między osobami. Aby przetestować tę hipotezę, porównaliśmy częstotliwości HGT dla par gatunków bakterii dzielonych przez co najmniej 4 osobniki w naszej kohorcie USA. Stwierdziliśmy, że częstość HGT jest jednorodna u ludzi dla większości gatunków bakterii (zaobserwowane średnie odchylenie standardowe częstości HGT u ludzi porównano z oczekiwanym rozkładem przy użyciu testu randomizacji z 1000 permutacjami, wartość p < 0,001, dodatkowa rycina 6). Sugeruje to, że podstawowy zestaw obfitych linii współdzielonych przez osoby w danej populacji stanowi podstawową sieć wymiany genów, która pozwala bakteryjnym liniom adaptować się do wspólnej presji selektywnej działającej w populacji gospodarza.

następnie zapytaliśmy, czy architektura kopert komórkowych przyczynia się do różnic w częstotliwości HGT, niezależnie od filogenezy i obfitości. Wykorzystaliśmy referencyjne dane dotyczące barwienia gramów dla każdego gatunku bakterii jako pośrednika architektury ściany komórkowej, aby oddzielić bakterie gram-dodatnie monoderm (pojedyncza błona cytoplazmatyczna i gruba warstwa peptydoglikanowa) od gram-ujemnych bakterii diderm (dwie błony otaczające cienką warstwę peptydoglikanową). Odkryliśmy, że bakterie diderm częściej angażują się w HGT niż bakterie monoderm, niezależnie od filogenezy i liczebności (wartość p = 1×10-3, Fig.2C), co jest również obserwowane przy rozważaniu wszystkich HGT większych niż 500bp (dodatkowa Fig. 7). Co ciekawe, częstotliwość HGT między dwoma bakteriami diderm była podobna do częstotliwości HGT między monodermą a bakterią diderm, co sugeruje, że bakterie diderm mają mechanizmy przenoszenia, które pozwalają im dzielić Materiał DNA o znacznie szerszym spektrum tła genetycznego.

przejście od nieindustrializowanego do uprzemysłowionego stylu życia wiąże się z drastycznymi zmianami różnorodności i składu mikrobiomu 21-23. Jednak niewiele wiadomo o tym, jak te zmiany stylu życia wpłynęły na wzorce wymiany genów w ludzkim mikrobiomie jelitowym.

aby sprawdzić, czy populacje ludzkie z uprzemysłowionym stylem życia mają różne wzorce HGT w porównaniu z populacjami z nieindustrializowanym stylem życia, przyjrzeliśmy się parom gatunków w naszym zbiorze danych, które są wspólne dla osób mieszkających w USA (obszar Bostonu) i osób mieszkających w jednej z czterech populacji, z których mamy największe próbki gatunków bakterii: Hadza (łowcy-zbieracze), Datoga (pasterze), Beti (rolnicy) i Baka (obecnie przechodzący z łowcy-zbieracze do rolnika).styl życia). Dla każdej pary gatunków bakterii obliczyliśmy średnią częstotliwość HGT na poziomie populacji ludzkiej, patrząc na wspólne identyczne (100%) bloki DNA, które są większe niż 500bp. Co zaskakujące, odkryliśmy, że pary gatunków pobrane z populacji uprzemysłowionej w USA wymieniały geny częściej niż w populacjach nieindustrializowanych (liczbę obserwowanych nieindustrializowanych zdarzeń HGT porównano z oczekiwaną liczbą zdarzeń w oparciu o liczbę zdarzeń populacji uprzemysłowionej, korygując skład gatunkowy i nierówną głębokość pobierania próbek, wartość p < 2,2×10-16, patrz metody) (rysunek 3A). Efekt ten utrzymuje się, gdy ogranicza analizę do każdej populacji nieindustrializowanej indywidualnie w porównaniu do USA (rysunek 3B). Łącznie wyniki te pokazują po raz pierwszy, że styl życia gospodarza kształtuje częstotliwości transferu genów w ludzkim mikrobiomie jelitowym. Wyniki te sugerują również, że przejście na uprzemysłowiony styl życia spowodowało drastyczny wzrost transferów genów w mikrobiomie jelitowym, potencjalnie ze względu na zwiększone perturbacje środowiskowe w populacjach bakterii jelitowych.

wnioskowaliśmy, że jeśli HGT występuje w bardzo krótkich skalach czasowych, to rodzaj przenoszonych genów powinien odzwierciedlać unikalną presję selektywną związaną z różnymi indywidualnymi gospodarzami i populacjami 24. Wykorzystując transfery genów obejmujące pary gatunków znalezione zarówno w populacji USA, jak i w ludach Hadza, Beti lub Datoga, najpierw porównaliśmy szerokie profile kategorii funkcjonalnych i stwierdziliśmy, że różniły się one w zależności od stylu życia (ryc. 4a, test Chi-square Goodness-of-fit, wartości p < 0,001).

wykazując, że istnieją szerokie różnice funkcjonalne pomiędzy rodzajami genów przenoszonych w różnych populacjach, skupiliśmy się na genach zaangażowanych w funkcje, które naszym zdaniem mogą się różnić w różnych populacjach, w tym genach zaangażowanych w elementy mobilne (FAG, plazmid, transpozon), oporność na antybiotyki i funkcje degradujące węglowodany (CAZyme). Odkryliśmy, że bakterie jelitowe w populacjach uprzemysłowionych wymieniały większe względne ilości plazmidu, transpozonu i elementów fagowych (Fig. 4B, dwuskładnikowe testy Z, skorygowane wartości p < 0.001), zgodnie z ogólnymi wyższymi poziomami HGT. Osoby Hadza i Beti, które spożywają duże ilości nietrawnych włókien, żywią bakterie jelitowe, które wymieniają geny CAZyme z większą częstotliwością niż osoby żyjące w USA (rysunek 4B). Bardzo wysokie częstotliwości przenoszenia genów oporności na antybiotyki stwierdzono również w mikrobiomach jelitowych osobników Datoga. Datoga to pasterze, hodujący głównie bydło i spożywający wysokie ilości mięsa i produktów mlecznych od swoich zwierząt. Podobnie jak inni pasterze w Północnej Tanzanii, podają swoim stadom antybiotyki 25,26. Nasze wyniki sugerują, że te ostatnie praktyki rolnicze szybko zmieniły krajobraz sprawności w wnętrznościach ludzi Datoga i już wpłynęły na wzorce transferu genów w ich mikrobiomach. Ponieważ stosowanie komercyjnych środków przeciwdrobnoustrojowych jest obecnie powszechne wśród populacji pasterzy w krajach rozwijających się, podobne efekty mogą wystąpić w wielu populacjach na całym świecie z szerszym wpływem na rozprzestrzenianie się oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe poza kliniką.

liczne badania badały, w jaki sposób zmiany w diecie i interwencje kliniczne, takie jak przeszczepy mikrobioty kału 27,28, wpływają na skład mikrobiomu jelitowego. Ale wyciągnięcie mechanistycznego zrozumienia ze zmian kompozycyjnych jest trudne. Nasze badania ujawniają, że HGT w mikrobiomie jelitowym odzwierciedlają unikalne naciski selektywne każdego człowieka. Tak więc wzorce HGT można następnie wykorzystać do identyfikacji sił selektywnych działających w każdej jednostce i uzyskania bardziej mechanistycznego zrozumienia tych zdarzeń. Nasze wyniki pokazują również, że całe dane sekwencjonowania genomu dostarczają informacji na temat spersonalizowanej funkcji mikrobiomu na poziomie precyzji, której popularne podejścia, takie jak amplikon 16S i sekwencjonowanie metagenomiczne, nie są w stanie osiągnąć. Wreszcie, wysoki wskaźnik HGT w jelitach ludzkich jest prawdopodobnie ostatnim rozwojem w odpowiedzi na uprzemysłowiony styl życia, któremu dodatkowo towarzyszyły drastyczne zmiany w naturze wymienianych genów. Możemy jeszcze nie w pełni docenić konsekwencje tych zmian częstotliwości i funkcji HGT dla zdrowia ludzkiego.