A industrialização está associada a elevadas taxas de transferência horizontal de genes no microbioma humano
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bactérias intestinais que vivem em simbiose com seres humanos experimentaram elevadas taxas de transferência horizontal de genes (HGT) ao longo do tempo evolutivo, pelo menos entre indivíduos nos países industrializados 1,2. No entanto, permanece incerto como as taxas de HGT se comparam com o tempo de residência bacteriana típico no intestino humano, e como o estilo de vida do hospedeiro humano pode influenciar a taxa de HGT e o tipo de genes transferidos.se a escala temporal da transferência for mais lenta do que o tempo de residência no interior do hospedeiro, os microbiomas individuais irão adquirir principalmente novas funções através da aquisição de novas estirpes. No entanto, se a taxa de transferência é suficientemente rápida, então um microbioma que é “estável” em termos de populações bacterianas 3-5 poderia, no entanto, evoluir em resposta a perturbações ambientais específicas do hospedeiro através da HGT, talvez em resposta a dieta ou mudanças nas práticas culturais.exemplos específicos de
demonstram que a HGT pode ocorrer dentro de um único indivíduo 6-10, especialmente quando há uma forte seleção para funções-alvo, tais como a resistência aos antibióticos 11-13. Mas que fracção de espécies no microbioma humano adquiriu genes de outra espécie no seu hospedeiro humano mais recente, e como é que a escala de tempo da HGT se compara com a escala de tempo da colonização humana? Em nosso estudo anterior 1, focamos em HGTs envolvendo sequências com similaridade superior a 99% e comprimento superior a 500bp. Assumindo um relógio molecular típico de ~1 SNP / genoma / ano 14 e tamanho do genoma de 106 bp, estes critérios são consistentes com eventos de transferência que aconteceram entre 0 e 10 mil anos atrás. Assim, para responder à questão de saber se as estirpes comensais adquirem rotineiramente novas funcionalidades através da HGT, são necessárias estimativas mais precisas do calendário para a HGT.para medir a taxa de HGT em escalas mais curtas, comparamos a quantidade de transferência observada entre bactérias isoladas dentro do mesmo indivíduo com a observada entre bactérias de diferentes indivíduos. Nós hipotetizamos que se a taxa de transferência fosse rápida comparada com o tempo de residência típico de uma linhagem bacteriana colonizando o corpo humano, então nós observaríamos níveis mais elevados de transferência entre estirpes isoladas do mesmo hospedeiro. Alternativamente, se o tempo de transferência fosse suficientemente maior do que o tempo de vida humano, então observaríamos níveis semelhantes entre bactérias, independentemente de estarem isoladas do mesmo hospedeiro. Para focar nossa análise nos eventos mais recentes, procuramos grandes blocos (>10kb) de DNA 100% idêntico, correspondendo a eventos HGT que ocorreram entre 0 e ~100 anos atrás, embora também confirmemos nossas descobertas usando elementos móveis mais curtos com comprimento maior que 500bp. Neste estudo, concentramo-nos apenas nas transferências que ocorrem entre espécies bacterianas, ignorando eventos de recombinação genética dentro das espécies.os genomas isolados de referência existentes 4,15–19 não podem ser utilizados para testar a transferência directa de genes entre duas bactérias no interior das pessoas, uma vez que quase todas essas estirpes foram isoladas de indivíduos diferentes. Além disso, essas coleções de referência foram amostradas quase exclusivamente de populações industrializadas, e não refletem a diversidade de estilos de vida humanos. Portanto, analisamos todos os genomas de 6.188 recém-cultivados isolados bacterianos usando amostras de fezes coletadas de 34 indivíduos em 9 populações humanas em todo o mundo: os Hadza e Datoga na Tanzânia, Beti e Baka populações de Camarões, Inuit indivíduos no Ártico Canadense, Sami e o finlandês indivíduos na Finlândia, e os indivíduos de uma Planície Setentrional Tribo, em Montana e da área de Boston, nos EUA; Suplementar a Figura 1 & Complementares Tabela 1 para uma descrição do estilo de vida). Agrupamos genomas bacterianos em grupos de espécies com base em similaridade genômica (usando a distância Mash como um proxy da identidade nucleotídica média, ver Métodos). Estes genomas representam 253 espécies bacterianas em 6 filos, agrupando-se em 62 géneros conhecidos e 54 géneros desconhecidos (figura 1A & tabelas suplementares 2 & 3 para a cultura de dados e estatísticas de montagem do genoma). As populações humanas amostradas tinham diferentes origens genéticas e estilos de vida muito diferentes, variando de comunidades industrializadas a comunidades de caçadores-coletores. Recolhemos amostras de muitos isolados bacterianos de diferentes espécies dentro de cada indivíduo, e detectamos milhares de HGTs recentes em nossos dados genômicos: no total, capturamos 134.958 elementos móveis em várias espécies bacterianas, tanto dentro como entre as pessoas. 57% dos genomas bacterianos (3556/6188) estiveram envolvidos em pelo menos um evento recente da HGT (figura 1A), indicando que a HGT é galopante no intestino humano contemporâneo.
(a) árvore Filogenómica dos 6.188 isolados bacterianos intestinais humanos que geramos neste estudo e que foram amostrados a partir de 9 populações humanas. Os ramos são coloridos pelo filo. Os anéis internos e externos mostram genomas em que pelo menos 1 HGT maior que 500bp e 10kb foi detectado, respectivamente. (B) as frequências HGT dentro e entre as pessoas foram computadas usando todo o conjunto de genomas. As linhas sólidas representam pares de espécies bacterianas amostradas dentro e entre indivíduos. As diferenças na frequência HGT são coloridas ao longo de um gradiente de cinza (nenhuma diferença) a vermelho (dentro das pessoas a frequência HGT é maior do que entre-pessoas) ou de cinza a azul (entre-pessoas a frequência HGT é maior do que dentro das pessoas), cores mais escuras representando diferenças maiores. A frequência HGT dos pares de espécies bacterianas encontrados dentro das pessoas foi comparada à frequência esperada com base na frequência HGT da mesma espécie pares encontrados em pessoas diferentes (valor p < 2.2×10-16). As frequências HGT observadas e esperadas foram calculadas utilizando o número total de comparações do genoma com pelo menos 1 HGT (ver Métodos). Alguns pares de espécies distantes que trocam genes dentro de pessoas com maior frequência do que poderíamos esperar pela filogenia (ver Figura 2A) estão listados.
Nós encontramos que espécies bacterianas pares amostrados dentro as pessoas estão mais propensos a compartilhar recentemente transferido de DNA que os mesmos pares de espécies amostradas a partir de duas pessoas diferentes (o número de observadas dentro-pessoa HGT eventos foi comparado com o número esperado de eventos com base no número de entre-pessoa eventos, corrigindo composição de espécies e desigual de amostragem de profundidade, Figura 1B, p-valor < 2.2×10-16, ver Métodos), e este sinal é conduzido por diferentes espécies bacterianas, abrangendo diversos grupos taxonômicos (Figura 1A & 1B). Este resultado sugere que a escala de tempo para HGT é curta. Em sentido estrito, não se pode distinguir entre transferências que ocorreram no hospedeiro de origem das transferências que podem ter ocorrido no progenitor do hospedeiro ou mesmo no avô. No entanto, é improvável que uma grande fração de transferências ocorreu antes da colonização do hospedeiro, porque a taxa global de HGT é grande em comparação com a taxa de herança de cepas de um pai (ver discussão em informações suplementares). Estes resultados são consistentes com os detalhes de nossa análise: um aumento no HGT frequência dentro dos indivíduos é replicado quando restringindo a análise para dentro de cada um de nossos amostradas populações, ou quando considerar o 5,126,962 elementos celulares maior do que 500bp que são distribuídos em 98% (6068/6188) de nossos genomas (p-valor < 2.2×10-16) (Figura 1A & Supp Fig. 2 & 3). Juntos, estes resultados sugerem que HGTs ocorrem em escalas de tempo suficientemente curtas para remodelar as funções da comunidade gut extensivamente e continuamente durante a vida de um indivíduo.dado que a frequência HGT é principalmente impulsionada por transferências que ocorrem entre organismos estreitamente relacionados, que tendem a trocar mais genes em conjunto do que espécies distantemente relacionadas, investigamos a frequência HGT ao longo de uma gama de distâncias filogenéticas. We show that phylogenetic relatedness is a strong driver of HGTs overall (more closely related species transfering more genes, Linear Mixed Effects model fit test, p-value < 2.2×10-16), e que o forte enriquecimento para transferência dentro dos indivíduos em comparação com entre os indivíduos ocorre em todas as distâncias filogenéticas (figura 2A), o que é verdadeiro mesmo quando se considera todos os HGTs maiores que 500bp (figura suplementar 4).
As contribuições individuais da filogenia, abundância e arquitetura da parede celular foram medidas usando um modelo de efeitos mistos lineares e plotados usando regressões loess, com intervalos de confiança sendo calculados a partir dos erros padrão. Os valores P associados a cada factor são apresentados acima de cada parcela. (A) a frequência HGT dentro das pessoas é maior do que entre as pessoas em todos os compartimentos filogenéticos de distância. As distâncias filogenéticas foram derivadas da árvore filogenómica da figura 1A. alguns pares de espécies distantemente relacionadas que trocam genes dentro de pessoas com maior frequência do que poderíamos esperar pela filogenia são realçados na figura 1B. (B) a frequência HGT é plotada através de células de abundância de espécies. As abundâncias bacterianas são específicas do indivíduo, e foram medidas por mapeamento de leituras metagenômicas contra os genomas individuais (ver Métodos). Usamos um limiar de 0,01 para definir bactérias altamente abundantes. A frequência HGT é extrapolada linearmente para a categoria Alta/Baixa na faixa de distâncias filogenéticas muito pequenas (linha tracejada) devido à ausência de pares de espécies com espécies estreitamente relacionadas nesta categoria. C) a frequência HGT é plotada através de tipos de arquitectura da parede celular. Usámos a coloração de Gram como um substituto para chamar bactérias monodermas ou diderm. Como em B, A linha tracejada extrapola a frequência HGT para a categoria Gram+/Gram, pois nenhuma espécie pares com pequenas distâncias filogenéticas foram amostradas dentro desta categoria.
tendo estabelecido a rápida escala de tempo de HGT, perguntámos em seguida quais os factores que determinam a frequência de troca de genes no intestino humano. Nós hipotetizamos que pares de espécies altamente abundantes em um determinado ecossistema teria uma maior probabilidade de troca de genes em comparação com pares envolvendo pelo menos uma espécie de baixa abundância, independente de sua distância filogenética, embora nós anteriormente argumentamos contra um papel importante para a abundância no controle da frequência de HGT 1. Esta hipótese nunca tinha sido testada diretamente porque conjuntos de dados que emparelhavam a amostragem genômica em profundidade com estimativas precisas de abundância ainda não existiam. Para testar a hipótese da abundância, nós geramos dados metagenômicos para as amostras de fezes das quais tínhamos isolados bacterianos cultivados, e calculamos a abundância média de cada espécie bacteriana dentro de cada pessoa, mapeando leituras metagenômicas contra os genomas isolados (ver Métodos). Descobrimos que a abundância de espécies é um determinante forte da HGT (Linear Mixed Effects model fit test, p-value = 1.4×10-11), independente da filogenia (figura 2B), que é replicada ao olhar para todos os HGTs maiores que 500bp (suplementar Figura 5). Bactérias abundantes são mais propensos a se envolver em HGT com outras bactérias abundantes, o que é consistente com os mecanismos canônicos de HGT (por exemplo, conjugação, transformação e transdução 20) que envolvem contato Celular-Celular ou acesso ao DNA livre no ambiente.uma vez que a HGT é impulsionada pela distância filogenética e abundância, e a abundância é semelhante entre os indivíduos dentro de uma população Hospedeira 5, nós hipotetizamos que a mesma espécie bacteriana intestinal trocaria genes entre os indivíduos. Para testar esta hipótese, comparamos frequências HGT para pares de espécies bacterianas compartilhadas por um mínimo de 4 indivíduos dentro de nossa coorte EUA. Nós descobrimos que a frequência HGT é homogênea entre as pessoas para a maioria das espécies bacterianas (o desvio padrão observado da frequência HGT dentro da pessoa através das pessoas foi comparado com a distribuição esperada usando um teste de aleatorização com 1.000 permutações, valor p < 0,001, figura suplementar 6). Isto sugere que o conjunto Central de linhagens abundantes compartilhadas por indivíduos dentro de uma dada população representa uma rede central de troca de genes que permite que linhagens bacterianas se adaptem a pressões seletivas comuns atuando na população Hospedeira.em seguida, perguntamos se a arquitetura de envelopes celulares contribui para diferenças na frequência HGT, independente da filogenia e abundância. Usámos dados de coloração de Gram de referência para cada espécie bacteriana como um substituto da arquitectura da parede celular, a fim de separar bactérias gram-positivas (membrana citoplasmática única e uma camada de peptidoglicano espessa) de bactérias gram-negativas (duas membranas em torno de uma camada de peptidoglicano fina). Descobrimos que diderm bactérias envolver-se mais frequentemente em HGTs que monoderm bactérias, independentemente de filogenia e abundância (p-valor = 1×10-3 (Figura 2C), o que também é observado quando se considera todos os HGTs maior do que 500bp (Complementar Figura 7). Curiosamente, a frequência HGT entre duas bactérias diderm foi semelhante à frequência HGT entre uma bactéria monoderm e uma bactéria diderm, sugerindo que as bactérias diderm têm mecanismos de transferência que lhes permitem compartilhar material de DNA com um espectro muito mais amplo de origens genéticas.a transição de estilos de vida não industrializados para estilos de vida industrializados está associada a mudanças drásticas na diversidade microbiológica e composição 21-23. No entanto, pouco se sabe sobre como essas transições de estilo de vida impactaram os padrões de troca de genes no microbioma intestinal humano.
Para testar se as populações humanas com uma industrializados estilo de vida têm diferentes HGT padrões quando comparado com populações não-industrializados, estilos de vida, olhamos para as espécies de pares em nosso conjunto de dados que são compartilhados por indivíduos que vivem nos EUA (Boston) e indivíduos que vivem em uma das quatro populações a partir do qual temos o maior amostragem de espécies bacterianas: os Hadza (caçadores), o Datoga (pastores), a Beti (agricultores) e o Baka (atualmente a transição de um caçador-coletor para agricultor estilo de vida). Para cada par de espécies bacterianas, calculamos a frequência média de HGT ao nível da população humana, olhando para blocos de DNA idênticos (100%) compartilhados que são maiores que 500bp. Surpreendentemente, descobrimos que os pares de espécies amostradas NOS eua industrializados população trocaram genes mais frequentemente do que quando eles são encontrados em países não-industrializados populações (o número de observado não-industrializados população HGT eventos foi comparado com o número esperado de eventos com base no número de industrializados população de eventos, para corrigir a composição das espécies e desigual de amostragem de profundidade, p-valor < 2.2×10-16, ver Métodos) (Figura 3A). Este efeito mantém-se ao restringir a análise a cada população não industrializada individualmente em comparação com os EUA (figura 3B). Em conjunto, estes resultados mostram pela primeira vez que o estilo de vida do hospedeiro forma as frequências de transferência de genes no microbioma intestinal humano. Estes resultados também sugerem que a transição para estilos de vida industrializados resultou em um aumento drástico nas transferências de genes dentro do microbioma intestinal, potencialmente devido a perturbações ambientais aumentadas para populações de bactérias intestinais.
2.2×10-16).
argumentámos que se a HGT ocorrer em escalas de tempo muito curtos, então o tipo de genes que estão a ser transferidos deve reflectir as pressões selectivas únicas associadas a diferentes hospedeiros e populações individuais 24. Usando transferências de genes envolvendo pares de espécies encontrados tanto na população dos EUA quanto nos povos Hadza, Beti ou Datoga, primeiro comparamos perfis de categorias funcionais amplas e descobrimos que eles diferiam entre estilos de vida (figura 4A, teste de bondade do quadrado de chi, valores p < 0,001).
Genes dentro de elementos móveis foram anotados usando uma variedade de bases de dados de função genética de referência (Ver métodos) para comparar perfis funcionais de genes transferidos entre populações industrializadas e não industrializadas. Apenas populações hospedeiras com um número suficiente de genes anotados com funções previstas conhecidas foram incluídas na análise (EUA, Hadza, Beti e comunidades Datoga; indivíduos Baka foram removidos). Para explicar as diferenças na composição das espécies, as funções HGT foram contadas usando apenas pares de espécies que são compartilhadas pelas duas populações hospedeiras comparadas (EUA vs. uma população não industrializada) sendo comparadas. Por esta razão, os perfis funcionais para os EUA mudam ligeiramente nas comparações emparelhadas da população. (A) os perfis das categorias funcionais COG foram comparados utilizando um teste qui-square Goodness-of-fit (***: valores p < 0, 001). B) as contagens HGT de genes FAG, plasmídeos, transposões, resistência aos antibióticos e CAZyme foram comparadas entre populações hospedeiras industrializadas e não industrializadas utilizando testes Z de duas proporções e uma correcção Bonferroni para testes múltiplos (***: valores p < 0,001).
depois de Ter mostrado que o amplo e funcional, existem diferenças entre os tipos de genes transferidos em diferentes populações, nós nos concentramos em genes envolvidos em funções que nós pensamos que pode diferir entre as diferentes populações, incluindo genes envolvidos em elementos móveis (fago, plasmídeo, transposon), resistência a antibióticos e de hidratos de carbono-degradante (CAZyme) funções. Descobrimos que as bactérias intestinais em populações industrializadas trocaram quantidades relativas mais elevadas de plasmídeos, transposões e elementos fagosos (figura 4B, duas proporções z-testes, valores p corrigidos < 0.001), consistente com níveis globais mais elevados de HGT. Indivíduos Hadza e Beti, que consomem grandes quantidades de fibras não digeríveis, hospedam bactérias intestinais que trocam genes de Cazima em frequências mais altas do que indivíduos que vivem nos EUA (figura 4B). Foram também encontradas frequências de transferência muito elevadas de genes de Resistência a antibióticos nos microbiomas intestinais de indivíduos Datoga. Os Datoga são pastoralistas, criando principalmente gado, e consumindo altos níveis de carne e produtos lácteos de seus animais. Como outros agricultores pastorais no norte da Tanzânia, eles administram antibióticos para suas manadas 25,26. Os nossos resultados sugerem que estas práticas agrícolas recentes alteraram rapidamente a paisagem de fitness nas entranhas das pessoas de Datoga e já impactaram os padrões de transferência de genes dentro dos seus microbiomas. Como o uso de antimicrobianos comerciais é agora generalizada entre as populações pastoralistas em países em desenvolvimento, efeitos semelhantes podem ocorrer em muitas populações em todo o mundo com um impacto mais amplo na propagação da resistência antimicrobiana fora da clínica.vários estudos investigaram como as alterações na dieta e nas intervenções clínicas, como os transplantes de microbiota fecal, têm impacto 27,28 na composição do microbioma intestinal. Mas inferir compreensão mecanicista de mudanças de composição é difícil. O nosso estudo revela que os HGTs dentro do microbioma intestinal reflectem as pressões selectivas únicas de cada hospedeiro humano. Assim, os padrões HGT podem então ser usados para identificar forças seletivas atuando dentro de cada indivíduo e para ganhar uma compreensão mais mecanicista destes eventos. Nossos resultados também mostram que todos os dados de sequenciamento do genoma fornecem informações sobre a função microbiológica personalizada em um nível de precisão que abordagens populares, como amplicon 16S e sequenciamento metagenômico, não podem alcançar. Finalmente, a alta taxa de HGT no intestino humano é provavelmente um desenvolvimento recente em resposta ao estilo de vida industrializado, que foi ainda acompanhado por mudanças drásticas na natureza dos genes que estão sendo trocados. Podemos ainda não estar plenamente conscientes das consequências destas mudanças na frequência e funcionamento da HGT para a saúde humana.