Industrializarea este asociată cu rate crescute de transfer orizontal de gene în microbiomul uman

textul principal

bacteriile intestinale care trăiesc în simbioză cu oamenii au experimentat rate ridicate de transfer orizontal de gene (HGT) de-a lungul timpului evolutiv, cel puțin la indivizii din țările industrializate 1,2. Cu toate acestea, rămâne neclar modul în care ratele de HGT se compară cu timpul tipic de rezidență bacteriană în intestinul uman și modul în care stilul de viață al gazdei umane ar putea influența rata HGT și tipul de gene transferate.

dacă intervalul de timp al transferului este mai lent decât timpul de ședere în cadrul gazdei, atunci microbiomii individuali vor dobândi în primul rând noi funcții prin achiziționarea de noi tulpini. Cu toate acestea, dacă rata de transfer este suficient de rapidă, atunci un microbiom stabil în ceea ce privește populațiile bacteriene 3-5 ar putea totuși să evolueze ca răspuns la perturbațiile de mediu specifice gazdei prin HGT, poate ca răspuns la dietă sau schimbări în practicile culturale.

exemple specifice demonstrează că HGT poate apărea la un singur individ 6-10, mai ales atunci când există o selecție puternică pentru funcțiile țintă, cum ar fi rezistența la antibiotice 11-13. Dar ce fracțiune din speciile din microbiomul uman au dobândit gene de la o altă specie din cea mai recentă gazdă umană și cum se compară intervalul de timp al HGT cu intervalul de timp al colonizării umane? În studiul nostru anterior 1, ne-am concentrat pe HGT-uri care implică secvențe cu similitudine mai mare de 99% și lungime mai mare de 500bp. Presupunând un ceas molecular tipic de ~1 SNP/genom / anul 14 și dimensiunea genomului de 106 bp, aceste criterii sunt în concordanță cu evenimentele de transfer care au avut loc între 0 și 10.000 de ani în urmă. Astfel, pentru a răspunde la întrebarea dacă tulpinile comensale dobândesc în mod obișnuit noi funcționalități prin HGT, sunt necesare estimări mai precise ale scalei de timp pentru HGT.

pentru a măsura rata de HGT pe intervale de timp mai scurte, am comparat cantitatea de transfer observată între bacteriile izolate din interiorul aceluiași individ cu cea observată între bacteriile de la indivizi diferiți. Am emis ipoteza că, dacă rata de transfer a fost rapidă în comparație cu timpul tipic de rezidență al unei linii bacteriene care colonizează corpul uman, atunci am observa niveluri mai ridicate de transfer între tulpini izolate de aceeași gazdă. Alternativ, dacă intervalul de timp pentru transfer a fost suficient de lung decât o durată de viață umană, atunci am observa niveluri similare între bacterii, indiferent dacă au fost izolate de aceeași gazdă. Pentru a ne concentra analiza asupra celor mai recente evenimente, am căutat blocuri mari (>10kb) de ADN 100% identic, corespunzând evenimentelor HGT care au avut loc între 0 și ~100 de ani în urmă, deși confirmăm și descoperirile noastre folosind elemente mobile mai scurte cu o lungime mai mare de 500bp. În acest studiu, ne concentrăm doar pe transferurile care au loc între speciile bacteriene, ignorând evenimentele de recombinare a genei în cadrul speciilor.

izolatul de referință existent genomul 4,15–19 nu poate fi utilizat pentru a testa transferul direct de gene între oricare două bacterii din interiorul oamenilor, deoarece aproape toate aceste tulpini au fost izolate de la indivizi diferiți. În plus, aceste colecții de referință au fost prelevate aproape exclusiv de la populațiile industrializate și nu reflectă diversitatea stilurilor de viață umane. Prin urmare, am analizat întregul genom al a 6.188 de izolate bacteriene nou cultivate folosind probe de scaun colectate de la 34 de indivizi din 9 populații umane din întreaga lume: Hadza și Datoga din Tanzania, populațiile Beti și Baka din Camerun, indivizii inuiți din Arctica Canadiană, indivizii Sami și finlandezi din Finlanda și indivizii dintr-un trib din câmpiile nordice din Montana și din zona Boston din SUA; figura suplimentară 1 & tabelul suplimentar 1 pentru o descriere a stilurilor de viață). Am grupat genomii bacterieni în grupuri de specii pe baza asemănării genomice (folosind distanța Mash ca proxy al identității nucleotidice medii, vezi metode). Acești genomi reprezintă 253 de specii bacteriene din 6 filuri, grupându-se în 62 de genuri cunoscute și 54 de genuri necunoscute (figura 1a & tabele suplimentare 2 & 3 pentru datele de cultură și statisticile de asamblare a genomului). Populațiile umane eșantionate aveau medii genetice diferite și stiluri de viață foarte diferite, variind de la industrializate la comunități de vânători-culegători. Am prelevat multe izolate bacteriene din diferite specii în cadrul fiecărui individ și am detectat mii de HGT recente în datele noastre genomice: în total, am capturat 134.958 de elemente mobile din mai multe specii bacteriene, atât în interiorul cât și între oameni. 57% dintre genomii bacterieni (3556/6188) au fost implicați în cel puțin un eveniment HGT recent (figura 1a), indicând faptul că HGT este agresiv în intestinul uman contemporan.

am constatat că perechile de specii bacteriene prelevate în cadrul oamenilor sunt mai susceptibile de a împărtăși ADN transferat recent decât aceleași perechi de specii prelevate de la două persoane diferite (Numărul de evenimente HGT observate în cadrul persoanei a fost comparat cu numărul așteptat de evenimente bazat pe numărul de evenimente între persoane, corectând compoziția speciilor și adâncimea inegală de eșantionare, figura 1b, valoarea p< 2.2 10-16, a se vedea metodele), iar acest semnal este condus de multe specii bacteriene diferite care acoperă diverse grupuri taxonomice (figura 1a & 1B). Acest rezultat sugerează că intervalul de timp pentru HGT este scurt. Strict vorbind, nu putem distinge între transferurile care au avut loc în gazda de origine de cele care ar fi putut avea loc la părintele gazdei sau chiar la bunicul. Cu toate acestea, este puțin probabil ca o mare parte din transferuri să aibă loc înainte de colonizarea gazdei, deoarece rata globală a HGT este mare în comparație cu rata de moștenire a tulpinilor de la un părinte (a se vedea discuția în informații suplimentare). Aceste rezultate sunt robuste pentru detaliile analizei noastre: o creștere a frecvenței HGT în cadrul indivizilor este reprodusă atunci când se restricționează analizele la fiecare dintre populațiile noastre eșantionate sau când se iau în considerare cele 5.126.962 de elemente mobile mai mari de 500bp care sunt distribuite pe 98% (6068/6188) din genomii noștri (valoarea p < 2.2 10-16) (figura 1a & supp fig. 2 & 3). Împreună, aceste rezultate sugerează că HGT-urile apar pe intervale de timp suficient de scurte pentru a remodela funcțiile comunității intestinale pe scară largă și continuă în timpul vieții unui individ.

deoarece frecvența HGT este determinată în primul rând de transferurile care au loc între organisme strâns legate, care tind să schimbe mai multe gene împreună decât speciile înrudite la distanță, am investigat frecvența HGT pe o gamă de distanțe filogenetice. Arătăm că relația filogenetică este un factor puternic al HGTs în general (specii mai strâns legate care transferă mai multe gene, test de potrivire a modelului cu efecte mixte liniare, valoarea p < 2.2, 10-16), și că îmbogățirea puternică pentru transfer în interiorul indivizilor în comparație cu între indivizi are loc pe toate distanțele filogenetice (figura 2a), ceea ce este valabil chiar și atunci când se iau în considerare toate HGT-urile mai mari de 500bp (figura suplimentară 4).

după ce am stabilit intervalul de timp rapid al HGT, am întrebat în continuare ce factori determină frecvența schimbului de gene în intestinul uman. Am emis ipoteza că perechile de specii foarte abundente într-un ecosistem dat ar avea o probabilitate mai mare de schimb de gene în comparație cu perechile care implică cel puțin o specie cu abundență redusă, independent de distanța lor filogenetică, deși am argumentat anterior împotriva unui rol major pentru abundență în controlul frecvenței HGT 1. Această ipoteză nu a fost niciodată testată direct, deoarece seturile de date care au asociat eșantionarea genomică în profunzime cu estimări exacte ale abundenței nu existau încă. Pentru a testa ipoteza abundenței, am generat date metagenomice pentru probele de scaun din care am cultivat izolate bacteriene și am calculat abundența medie a fiecărei specii bacteriene în cadrul fiecărei persoane prin cartografierea citirilor metagenomice în raport cu genomii izolați (vezi metode). Am constatat că abundența speciilor este un determinant puternic al HGT (testul de potrivire a modelului cu efecte mixte liniare, valoarea p = 1,4 inkt 10-11), independent de filogenie (figura 2b), care este replicat atunci când se analizează toate HGT-urile mai mari de 500bp (figura suplimentară 5). Bacteriile abundente sunt mai susceptibile de a se angaja în HGT cu alte bacterii abundente, ceea ce este în concordanță cu mecanismele canonice ale HGT (de exemplu, conjugarea, transformarea și transducția 20) care implică contactul celulă-celulă sau accesul la ADN liber în mediu.deoarece HGT este condus de distanța și abundența filogenetică, iar abundența este similară între indivizii dintr-o populație gazdă 5, am emis ipoteza că aceeași specie bacteriană intestinală ar schimba gene între indivizi. Pentru a testa această ipoteză, am comparat frecvențele HGT pentru perechile de specii bacteriene împărtășite de cel puțin 4 indivizi din cohorta noastră din SUA. Am constatat că frecvența HGT este omogenă la oameni pentru majoritatea speciilor bacteriene (abaterea standard medie observată a frecvenței HGT în interiorul persoanei la oameni a fost comparată cu distribuția așteptată folosind un test de randomizare cu 1.000 permutări, valoarea p < 0.001, figura suplimentară 6). Acest lucru sugerează că setul de linii abundente împărtășite de indivizi într-o anumită populație reprezintă o rețea centrală de schimb de gene care permite liniilor bacteriene să se adapteze la presiunile selective comune care acționează în populația gazdă.

am întrebat apoi dacă arhitectura plicurilor celulare contribuie la diferențe în frecvența HGT, independent de filogenie și abundență. Am folosit date de referință de colorare Gram pentru fiecare specie bacteriană ca proxy al arhitecturii peretelui celular, pentru a separa bacteriile monoderm gram-pozitive (o singură membrană citoplasmatică și un strat gros de peptidoglican) de bacteriile diderm gram-negative (două membrane care înconjoară un strat subțire de peptidoglican). Am constatat că bacteriile diderm se angajează mai frecvent în HGTs decât bacteriile monoderm, independent de filogenie și abundență (valoarea p = 1 inkt 10-3, figura 2c), ceea ce se observă și atunci când se iau în considerare toate HGTs mai mari de 500bp (figura suplimentară 7). Interesant, frecvența HGT între două bacterii diderm a fost similară cu frecvența HGT între un monoderm și o bacterie diderm, sugerând că bacteriile diderm au mecanisme de transfer care le permit să împărtășească Materialul ADN cu un spectru mult mai larg de medii genetice.

trecerea de la stilurile de viață neindustrializate la cele industrializate este asociată cu schimbări drastice în diversitatea și compoziția microbiomului 21-23. Cu toate acestea, se știe puțin despre modul în care aceste tranziții ale stilului de viață au afectat modelele de schimb de gene în microbiomul intestinului uman.

pentru a testa dacă populațiile umane cu un stil de viață industrializat au modele HGT diferite în comparație cu populațiile cu stiluri de viață neindustrializate, am analizat perechile de specii din setul nostru de date care sunt împărtășite de indivizi care trăiesc în SUA (zona Boston) și indivizi care trăiesc în oricare dintre cele patru populații din care avem cea mai mare eșantionare de specii bacteriene: Hadza (vânători-culegători), Datoga (păstori), Beti (agricultori) și Baka (trecând în prezent de la un vânător-culegător la un stil de viață agricol). Pentru fiecare pereche de specii bacteriene, am calculat frecvența medie a HGT la nivelul populației umane, analizând blocuri ADN identice (100%) care sunt mai mari de 500bp. În mod surprinzător, am constatat că perechile de specii prelevate în populația industrializată din SUA au schimbat gene mai frecvent decât atunci când se găsesc în populațiile neindustrializate (numărul de evenimente HGT observate în populația neindustrializată a fost comparat cu numărul așteptat de evenimente bazat pe numărul de evenimente ale populației industrializate, corectând compoziția speciilor și adâncimea inegală de eșantionare, valoarea p < 2.2 10-16, vezi metode) (figura 3a). Acest efect este valabil atunci când se restricționează analiza la fiecare populație neindustrializată individual în comparație cu SUA (figura 3b). Luate împreună, aceste rezultate arată pentru prima dată că stilul de viață gazdă modelează frecvențele de transfer de gene în microbiomul intestinului uman. Aceste rezultate sugerează, de asemenea, că trecerea la stiluri de viață industrializate a dus la o creștere drastică a transferurilor de gene în microbiomul intestinal, potențial datorită perturbațiilor crescute ale mediului la populațiile bacteriene intestinale.

am argumentat că dacă HGT apare la intervale de timp foarte scurte, atunci tipul de gene transferate ar trebui să reflecte presiunile selective unice asociate diferitelor gazde și populații individuale 24. Folosind transferuri de gene care implică perechi de specii găsite atât în populația SUA, cât și în popoarele Hadza, Beti sau Datoga, am comparat mai întâi profilurile largi de categorii funcționale și am constatat că acestea diferă în funcție de stilul de viață (figura 4a, testul chi-square Goodness-of-fit, valorile p < 0.001).

după ce am arătat că există diferențe funcționale largi între tipurile de gene transferate în diferite populații, ne-am concentrat asupra genelor implicate în funcții despre care am crezut că pot diferi între populații, inclusiv genele implicate în elemente mobile (fag, plasmidă, transpozon), rezistența la antibiotice și funcțiile degradante ale carbohidraților (CAZyme). Am constatat că bacteriile intestinale din populațiile industrializate au schimbat cantități relative mai mari de elemente de plasmidă, transpozon și fag (figura 4b, teste Z cu două proporții, valori p corectate < 0.001), în concordanță cu nivelurile globale mai ridicate de HGT. Indivizii Hadza și Beti, care consumă cantități mari de fibre nedigerabile, găzduiesc bacterii intestinale care schimbă genele CAZyme la frecvențe mai mari decât indivizii care trăiesc în SUA (figura 4b). Frecvențele de transfer foarte mari ale genelor de rezistență la antibiotice au fost, de asemenea, găsite în microbiomii intestinali ai indivizilor Datoga. Datoga sunt păstori, crescând în primul rând bovine și consumând niveluri ridicate de carne și produse lactate de la animalele lor. Ca și alți fermieri pastorali din nordul Tanzaniei, ei administrează antibiotice efectivelor lor 25,26. Rezultatele noastre sugerează că aceste practici agricole recente au modificat rapid peisajul de fitness în intestinele oamenilor Datoga și au afectat deja tiparele transferurilor de gene în microbiomii lor. Deoarece utilizarea antimicrobienelor comerciale este acum răspândită în rândul populațiilor pastorale din țările în curs de dezvoltare, efecte similare pot apărea în multe populații din întreaga lume, cu un impact mai larg asupra răspândirii rezistenței antimicrobiene în afara clinicii.

numeroase studii au investigat modul în care schimbările în dietă și intervențiile clinice, cum ar fi transplanturile microbiotei fecale 27,28 influențează compoziția microbiomului intestinal. Dar deducerea înțelegerii mecaniciste din schimbările compoziționale este dificilă. Studiul nostru arată că HGT-urile din microbiomul intestinal reflectă presiunile selective unice ale fiecărei gazde umane. Astfel, modelele HGT pot fi apoi utilizate pentru a identifica forțele selective care acționează în cadrul fiecărui individ și pentru a obține o înțelegere mai mecanicistă a acestor evenimente. Rezultatele noastre arată, de asemenea, că datele de secvențiere a genomului întreg oferă informații despre funcția microbiomică personalizată la un nivel de precizie pe care abordările populare, cum ar fi 16S amplicon și secvențierea metagenomică, nu le pot realiza. În cele din urmă, rata ridicată a HGT în intestinul uman este probabil o dezvoltare recentă ca răspuns la stilul de viață industrializat, care a fost însoțit în continuare de schimbări drastice în natura genelor schimbate. Este posibil să nu apreciem încă pe deplin consecințele acestor schimbări ale frecvenței și funcției HGT asupra sănătății umane.