Industrialisering är associerad med förhöjda hastigheter av horisontell genöverföring i humant mikrobiom
huvudtext
tarmbakterier som lever i symbios med människor har upplevt höga hastigheter av horisontell genöverföring (HGT) över evolutionär tid, åtminstone över individer i industrialiserade länder 1,2. Ändå är det oklart hur andelen HGT jämför med typisk bakteriell uppehållstid i människans tarm, och hur livsstilen hos den mänskliga värden kan påverka HGT-hastigheten och typen av överförda gener.
om tidsskalan för överföring är långsammare än inom värdtiden, kommer enskilda mikrobiomer främst att förvärva nya funktioner genom förvärv av nya stammar. Men om överföringshastigheten är tillräckligt snabb, kan en mikrobiom som är stabil i termer av bakteriepopulationer 3-5 ändå utvecklas som svar på värdspecifika miljöstörningar genom HGT, kanske som svar på kost eller förändringar i kulturella metoder.
specifika exempel visar att HGT kan förekomma inom en enskild individ 6-10, särskilt när det finns starkt urval för målfunktioner som antibiotikaresistens 11-13. Men vilken fraktion av arter i det mänskliga mikrobiomet har förvärvat gener från en annan art i sin senaste mänskliga värd, och hur jämför tidsskalan för HGT med tidsskalan för mänsklig kolonisering? I vår tidigare studie 1 fokuserade vi på HGTs som involverade sekvenser med likhet högre än 99% och längd högre än 500bp. Genom att anta en typisk molekylär klocka på ~1 SNP/genom/år 14 och genomstorlek på 106 bp överensstämmer dessa kriterier med överföringshändelser som hände mellan 0 och 10 000 år sedan. För att svara på frågan om kommensalstammar rutinmässigt förvärvar ny funktionalitet genom HGT behövs därför mer exakta uppskattningar av tidsskalan för HGT.
för att mäta HGT-hastigheten på kortare tidsskalor jämförde vi mängden överföring som observerades mellan bakterier isolerade från samma individ med den som observerades mellan bakterier från olika individer. Vi antog att om överföringshastigheten var snabb jämfört med den typiska uppehållstiden för en bakteriell härstamning som koloniserar människokroppen, skulle vi observera högre överföringsnivåer mellan stammar isolerade från samma värd. Alternativt, om tidsskalan för överföring var tillräckligt längre än en mänsklig livslängd, skulle vi observera liknande nivåer mellan bakterier oavsett om de isolerades från samma värd. För att fokusera vår analys på de senaste händelserna letade vi efter stora block (>10kb) av 100% identiskt DNA, vilket motsvarar HGT-händelser som inträffade mellan 0 och ~100 år sedan, men vi bekräftar också våra resultat med kortare mobila element med längd större än 500bp. I denna studie fokuserar vi bara på överföringar som inträffar mellan bakteriearter och ignorerar genrekombinationshändelser inom arten.
befintliga referensisolat genom 4,15-19 kan inte användas för att testa för direkt genöverföring mellan två bakterier inom människor, eftersom nästan alla dessa stammar isolerades från olika individer. För övrigt, dessa referenssamlingar samplades nästan uteslutande från industrialiserade populationer, och återspeglar inte mångfalden av mänskliga livsstilar. Därför analyserade vi hela genomen av 6,188 nyligen odlade bakterieisolat med hjälp av avföringsprover samlade från 34 individer i 9 mänskliga populationer över hela världen: Hadza och Datoga i Tanzania, Beti och Baka populationer i Kamerun, Inuit individer i kanadensiska arktiska, samiska och finska individer i Finland, och individer från en Northern Plains stam i Montana och från Boston-området i USA; kompletterande Figur 1 & kompletterande Tabell 1 för en beskrivning av livsstil). Vi grupperade bakteriegenom i artkluster baserat på genomisk likhet (med Masavståndet som en proxy för den genomsnittliga Nukleotididentiteten, se metoder). Dessa genom representerar 253 bakteriearter över 6 phyla, gruppering i 62 kända och 54 okända släkten (Figur 1a & kompletterande tabeller 2 & 3 för odling av data och genommonteringsstatistik). De samplade mänskliga populationerna hade olika genetiska bakgrunder och mycket olika livsstilar, allt från industrialiserade till jägare-samlare samhällen. Vi samplade många bakterieisolat av olika arter inom varje individ, och upptäckte tusentals nya HGTs i våra genomiska data: totalt fångade vi 134 958 mobila element över flera bakteriearter, både inom och mellan människor. 57% av bakteriegenomerna (3556/6188) var involverade i minst en ny HGT-händelse (Figur 1a), vilket indikerar att HGT är frodas i den samtida mänskliga tarmen.
Vi fann att bakteriearterpar som samplades inom människor är mer benägna att dela nyligen överfört DNA än samma artpar som samplades från två olika personer (antalet observerade HGT-händelser inom personen jämfördes med det förväntade antalet händelser baserat på antalet händelser mellan personer, korrigering för artsammansättning och ojämnt provtagningsdjup, Figur 1b, p-värde < 2.2. 10-16, se metoder), och denna signal drivs av många olika bakteriearter som täcker olika taxonomiska grupper (Figur 1a & 1B). Detta resultat tyder på att tidsskalan för HGT är kort. Strängt taget kan vi inte skilja mellan överföringar som inträffade hos ursprungsvärden från de som kan ha inträffat hos värdens förälder eller till och med morförälder. Det är emellertid osannolikt att en stor del av överföringarna inträffade före kolonisering av värden eftersom den totala hastigheten för HGT är stor jämfört med arvshastigheten för stammar från en förälder (se diskussion i Kompletterande Information). Dessa resultat är robusta för uppgifterna i vår analys: en ökning av HGT-frekvensen inom individer replikeras när man begränsar analyser till inom var och en av våra samplade populationer, eller när man överväger de 5,126,962 mobila elementen större än 500bp som distribueras över 98% (6068/6188) av våra genom (p-värde < 2.2 Baccarat 10-16) (Figur 1a & supp Fig. 2 & 3). Tillsammans tyder dessa resultat på att HGTs förekommer på tidsskalor som är tillräckligt korta för att omforma gut-samhällsfunktioner i stor utsträckning och kontinuerligt under en individs livstid.
eftersom HGT-frekvensen främst drivs av överföringar som förekommer bland närbesläktade organismer, som tenderar att utbyta fler gener tillsammans än avlägset besläktade arter, undersökte vi HGT-frekvensen över ett antal fylogenetiska avstånd. Vi visar att fylogenetisk släktskap är en stark drivkraft för HGTs övergripande (närmare besläktade arter som överför fler gener, Linear Mixed Effects model fit test, p-värde < 2.2. 10-16), och att den starka anrikningen för överföring inom individer jämfört med mellan individer sker över alla fylogenetiska avstånd (figur 2a), vilket gäller även när man överväger alla HGTs större än 500bp (kompletterande Figur 4).
de enskilda bidragen av fylogeni, överflöd och cellväggarkitektur mättes med hjälp av en linjär blandad Effektmodell och plottades med hjälp av loess regressioner, med konfidensintervall som beräknas från standardfel. P-värden associerade till varje faktor visas ovanför varje plot. (A) HGT-frekvensen inom människor är högre än mellan människor över alla fylogenetiska distansfack. Fylogenetiska avstånd härleddes från det fylogenomiska trädet i Figur 1a. några avlägset relaterade artpar som utbyter gener inom människor med högre frekvens än vad vi kunde förvänta oss av fylogeni markeras i Figur 1b. (B) HGT-frekvensen plottas över artens överflöd. Bakteriella överflöd är individspecifika och mättes genom att kartlägga metagenomiska läsningar mot enskilda genom (se metoder). Vi använde en tröskel på 0,01 för att definiera mycket och lågt rikliga bakterier. HGT-frekvensen extrapoleras linjärt för den höga / låga kategorin inom området mycket små fylogenetiska avstånd (streckad linje) på grund av frånvaron av artpar med närbesläktade arter i denna kategori. (C) HGT-frekvensen plottas över typer av cellväggarkitektur. Vi använde Gramfärgning som en proxy för att kräva monoderm-eller diderm-bakterier. Liksom i B extrapolerar den streckade linjen HGT-frekvensen för Gram+/Gram− kategorin, eftersom inga artpar med små fylogenetiska avstånd samplades inom denna kategori.
Efter att ha fastställt den snabba tidsskalan för HGT frågade vi nästa vilka faktorer som driver genutbytesfrekvensen i människans tarm. Vi antog att par av mycket rikliga arter i ett givet ekosystem skulle ha en högre sannolikhet för genutbyte jämfört med par som involverar minst en art med låg överflöd, oberoende av deras fylogenetiska avstånd, även om vi tidigare argumenterade mot en viktig roll för överflöd vid kontroll av HGT-frekvens 1. Denna hypotes hade aldrig testats direkt eftersom datamängder som parade djupgående genomisk provtagning med exakta överflödesuppskattningar ännu inte fanns. För att testa överflödeshypotesen genererade vi metagenomiska data för avföringsproverna från vilka vi hade odlat bakterieisolat och beräknade det genomsnittliga överflödet av varje bakterieart inom varje person genom att kartlägga metagenomiska läsningar mot isolatgenomerna (se metoder). Vi fann att artöverflöd är en stark determinant för HGT (Linear Mixed Effects model fit test, p-värde = 1.4 Macau 10-11), oberoende av fylogeni (Figur 2B), som replikeras när man tittar på alla HGTs större än 500bp (kompletterande Figur 5). Rikliga bakterier är mer benägna att engagera sig i HGT med andra rikliga bakterier, vilket överensstämmer med de kanoniska mekanismerna för HGT (t.ex. konjugation, transformation och transduktion 20) som involverar cell-till-cell-kontakt eller tillgång till fritt DNA i miljön.eftersom HGT drivs av fylogenetiskt avstånd och överflöd, och överflöd är liknande över individer inom en värdpopulation 5, antog vi att samma tarmbakteriearter skulle utbyta gener över individer. För att testa denna hypotes jämförde vi HGT-frekvenser för bakteriearterpar delade av minst 4 individer inom vår USA-kohort. Vi fann att HGT-frekvensen är homogen över människor för majoriteten av bakteriearter (den observerade genomsnittliga standardavvikelsen för HGT-frekvens inom personer jämfördes med den förväntade fördelningen med ett randomiseringstest med 1000 permutationer, p-värde < 0.001, kompletterande Figur 6). Detta tyder på att kärnuppsättningen av rikliga linjer som delas av individer inom en given population representerar ett kärnnätverk av genutbyte som gör det möjligt för bakteriella linjer att anpassa sig till vanliga selektiva tryck som verkar i värdpopulationen.
vi frågade nästa om arkitekturen av cellkuvert bidrar till skillnader i HGT-frekvens, oberoende av fylogeni och överflöd. Vi använde referensgramfärgningsdata för varje bakterieart som en proxy för cellväggarkitektur för att separera gram-positiva monodermbakterier (enda cytoplasmiskt membran och ett tjockt peptidoglykanskikt) från gramnegativa didermbakterier (två membran som omger ett tunt peptidoglykanskikt). Vi fann att diderm-bakterier engagerar sig oftare i HGTs än monoderm-bakterier, oberoende av fylogeni och överflöd (p-värde = 1 msk 10-3, figur 2C), vilket också observeras när man överväger alla HGTs större än 500bp (kompletterande Figur 7). Intressant nog liknade HGT-frekvensen mellan två diderm-bakterier HGT-frekvensen mellan en monoderm och en diderm-bakterier, vilket tyder på att diderm-bakterier har överföringsmekanismer som gör det möjligt för dem att dela DNA-material med ett mycket bredare spektrum av genetiska bakgrunder.
övergång från icke-industrialiserad till industrialiserad livsstil är förknippad med drastiska förändringar i mikrobiomdiversitet och sammansättning 21-23. Men lite är känt om hur dessa livsstilsövergångar påverkade mönstren för genutbyte i den mänskliga tarmmikrobiomen.
för att testa om mänskliga populationer med en industrialiserad livsstil har olika HGT-mönster jämfört med populationer med icke-industrialiserade livsstilar tittade vi på artpar i vår dataset som delas av individer som bor i USA (Boston-området) och individer som bor i någon av de fyra populationerna från vilka vi har den största provtagningen av bakteriearter: Hadza (jägare-samlare), Datoga (pastoralister), Beti (jordbrukare) och Baka (som för närvarande övergår från en jägare-samlare till en jordbruksstil). För varje bakterieartpar beräknade vi den genomsnittliga HGT-frekvensen på den mänskliga befolkningsnivån och tittade på delade identiska (100%) DNA-block som är större än 500bp. Överraskande fann vi att artpar som samplades i den amerikanska industrialiserade befolkningen utbytte gener oftare än när de hittades i icke-industrialiserade populationer (antalet observerade icke-industrialiserade populations HGT-händelser jämfördes med det förväntade antalet händelser baserat på antalet industrialiserade befolkningshändelser, korrigerande för artsammansättning och ojämnt provtagningsdjup, p-värde < 2.2 Baccarat 10-16, se metoder) (figur 3a). Denna effekt gäller när man begränsar analysen till varje icke-industrialiserad befolkning individuellt jämfört med USA (figur 3B). Sammantaget visar dessa resultat för första gången att värdlivsstil formar genöverföringsfrekvenser i människans tarmmikrobiom. Dessa resultat tyder också på att övergången till industrialiserade livsstilar resulterade i en drastisk ökning av genöverföringar inom tarmmikrobiomen, potentiellt på grund av ökade miljöstörningar till tarmbakteriepopulationer.
vi resonerade att om HGT inträffar på mycket korta tidsskalor, bör typen av gener som överförs återspegla det unika selektiva trycket i samband med olika individuella värdar och populationer 24. Med hjälp av genöverföringar som involverar artpar som finns i både USA-befolkningen och antingen Hadza -, Beti-eller Datoga-folken jämförde vi först breda funktionella kategoriprofiler och fann att de skilde sig över livsstilar (figur 4A, chi-square Goodness-of-fit test, p-värden < 0.001).
gener inom mobila element annoterades med hjälp av en mängd referensgenfunktionsdatabaser (se metoder) för att jämföra funktionella profiler av överförda gener mellan industrialiserade och icke-industrialiserade populationer. Endast värdpopulationer med ett tillräckligt antal gener kommenterade med kända förutsagda funktioner inkluderades i analysen (USA, Hadza, Beti och Datoga samhällen; Baka individer avlägsnades). För att redogöra för skillnader i artsammansättning räknades HGT-funktioner med endast artpar som delas av de två jämförda värdpopulationerna (USA vs en icke-industrialiserad population) som jämförs. Av denna anledning, funktionella profiler för USA förändras något över parvisa befolkningsjämförelser. (A) profiler av COG funktionella kategorier jämfördes med användning av en chi-kvadrat godhet-of-fit test ( * * * : p-värden < 0.001). (B) HGT-tal av fag -, plasmid -, transposon -, antibiotikaresistens-och CAZyme-gener jämfördes mellan industrialiserade och icke-industrialiserade värdpopulationer med två proportioner Z-test och en Bonferroni-korrigering för flera test (***: p-värden < 0.001).
Efter att ha visat att det finns breda funktionella skillnader mellan de typer av gener som överförs i olika populationer fokuserade vi på gener som är involverade i funktioner som vi trodde kan skilja sig åt mellan populationer, inklusive gener som är involverade i mobila element (FAG, plasmid, transposon), antibiotikaresistens och kolhydratnedbrytande (CAZyme) funktioner. Vi fann att tarmbakterier i industrialiserade populationer utbytte högre relativa mängder plasmid -, transposon-och fagelement (figur 4B, tvåproportioner Z-test, korrigerade p-värden < 0.001), i överensstämmelse med övergripande högre nivåer av HGT. Hadza-och Beti-individer, som konsumerar stora mängder icke-smältbara fibrer, är värd för tarmbakterier som utbyter CAZyme-gener vid högre frekvenser än individer som bor i USA (figur 4B). Mycket höga överföringsfrekvenser av antibiotikaresistensgener hittades också i tarmmikrobiomerna hos Datoga-individer. Datoga är pastoralister, som främst odlar nötkreatur och konsumerar höga nivåer av kött och mejeriprodukter från sina djur. Liksom andra pastorala bönder i norra Tanzania administrerar de antibiotika till sina besättningar 25,26. Våra resultat tyder på att dessa senaste jordbruksmetoder snabbt förändrade fitnesslandskapet i tarmarna hos Datoga-människor och redan har påverkat mönstren för genöverföringar inom deras mikrobiomer. Eftersom användningen av kommersiella antimikrobiella medel nu är utbredd bland pastoralistiska populationer i utvecklingsländer kan liknande effekter förekomma i många populationer över hela världen med bredare inverkan på spridningen av antimikrobiell resistens utanför kliniken.
många studier har undersökt hur förändringar i kost och kliniska ingrepp såsom fekala mikrobiota transplantationer 27,28 påverkar sammansättningen av tarmmikrobiomen. Men det är svårt att härleda mekanistisk förståelse från kompositionella förändringar. Vår studie avslöjar att HGTs inom tarmmikrobiomen återspeglar det unika selektiva trycket hos varje mänsklig värd. Således kan HGT-mönster sedan användas för att identifiera selektiva krafter som verkar inom varje individ och för att få en mer mekanistisk förståelse för dessa händelser. Våra resultat visar också att hela genomsekvenseringsdata ger information om personlig mikrobiomfunktion på en precisionsnivå som populära tillvägagångssätt, såsom 16S amplicon och metagenomisk sekvensering, inte kan uppnå. Slutligen är den höga graden av HGT i människans tarm sannolikt en ny utveckling som svar på industrialiserad livsstil, vilket ytterligare åtföljdes av drastiska förändringar i naturen hos gener som utbyts. Vi kanske ännu inte fullt ut uppskattar konsekvenserna av dessa förändringar i HGT-frekvens och funktion på människors hälsa.