Почему одни микробы живут в кишечнике, а другие нет?
Триллионы микробов и бактерий, каждый со своим набором генов, населяют кишечник человека. Они могут оказывать как полезное, так и вредное воздействие на здоровье — от защиты от воспалений до вызывающих опасные для жизни инфекции. Чтобы исключить патогены, но стимулировать рост полезных микробов, ученые ищут способы воздействовать на конкретные микробные гены.
Команда Кэтрин Поллард из Институтов Глэдстоун изучает, как микробы колонизируют кишечник. Их цель — выявить гены, которые помогают микроорганизмам пройти через агрессивную среду желудка и выжить в нижних отделах желудочно-кишечного тракта.
«До сих пор это было непростой задачей, — объясняет Поллард. — Большинство микробов в кишечнике эволюционировали из родственных видов, поэтому у них много общих генов. Трудно выделить именно те гены, которые действительно влияют на способность микроба выживать в среде кишечника».
Новое исследование, опубликованное в журнале PLOS Computational Biology под руководством Патрика Брэдли из лаборатории Поллард, предлагает новый подход для выявления генов, которые могут быть важны для успешного существования микробов в кишечнике человека.
Старый метод раскрывает новые данные
Изучать микробы, колонизирующие организм человека, традиционными экспериментальными методами сложно не только из-за их огромного количества. Ученым не хватает инструментов для выращивания и изучения многих видов микробов в лаборатории, поэтому идентификация их генов требует много труда и времени.
Новые вычислительные методы и секвенирование ДНК позволяют определить, какие микробы обычно присутствуют в кишечнике человека и какие гены содержатся в их геномах. Однако исследователи из Глэдстоун показали, что простое изучение генов, общих для кишечных микробов, без учета их общего происхождения может привести ко многим ложным открытиям.
Чтобы избежать подобных ошибок, они нашли новый подход к решению проблемы. Брэдли применил метод, называемый филогенетическим линейным моделированием, который часто используется в экологии, но редко в геномике.
«С помощью этого метода мы используем информацию из эволюционного дерева, которое отображает исторические отношения между разными видами, — пояснил Брэдли. — Мы первыми применили этот метод непосредственно к данным метагеномики, полученным из коллективного генетического материала микробов, присутствующих в организме человека».
Команда использовала этот подход для анализа общедоступных данных сотен людей из промышленно развитых стран. В результате Брэдли и Поллард обнаружили тысячи генов у разных видов, которые широко распространены в кишечнике. Они также нашли гены у микробов, которые фактически более распространены в кишечнике, чем в других частях тела, что предполагает их специфичность для этой среды. Исследователи полагают, что выявленные гены могут помогать микробам колонизировать кишечник, например, позволяя им выживать в кислых средах, таких как желудок.
Кроме того, ученые использовали ту же технику для сравнения кишечных микробов при здоровье и болезни. Они обнаружили гены, связанные с бактериями, которые более распространены у пациентов с болезнью Крона, чем у здоровых людей.
«При болезни Крона некоторые бактерии с противовоспалительными свойствами, по-видимому, истощаются, — сказал Брэдли. — Если мы сможем идентифицировать гены, которые улучшают колонизацию кишечника именно у людей с болезнью Крона, то в будущем мы потенциально сможем помочь пациентам, создав новые версии этих противовоспалительных бактерий, которые лучше выживали бы в этой среде».
Первый шаг к улучшению здоровья кишечника
Новый вычислительный подход, разработанный Поллард и Брэдли, может привести к созданию новых методов лечения для поддержания или улучшения здоровья кишечника.
«Если мы хотим воздействовать на отдельные микробные гены, нам сначала нужно понять их роль в колонизации кишечника, — сказала Поллард. — Это может дать возможности для создания более эффективных пробиотиков или предотвращения вторжения в кишечник вредных патогенов, таких как C. difficile».
Этот метод использует идеи из многих областей, включая биоинформатику, микробную экологию и эволюцию, биохимию, биостатистику и изучение микробиома человека. Его также можно применять для идентификации генов, связанных с микробами в других средах, помимо кишечника человека.
«Наше исследование показывает, что, используя методы, учитывающие эволюционную взаимосвязь между микробами, мы можем прогнозировать гены, которые могут быть важны в конкретной среде, с гораздо большей точностью, чем позволяют стандартные модели, — сказал Брэдли. — Мы надеемся, что другие ученые поймут, что могут извлечь гораздо больше пользы из уже имеющихся у них данных, используя наш подход».
Поллард и Брэдли сейчас работают над созданием веб-инструмента, который позволит другим исследователям — особенно биологам-экспериментаторам, у которых может не быть необходимой экспертизы, — загружать свои собственные данные и использовать эту новую вычислительную технику для получения полезных результатов.