Эволюция на внутренней трассе: исследование показывает, как меняются вирусы в бактериях кишечника со временем

Человеческий организм — это не просто сумма всех клеток органов и тканей. Пищеварительный тракт также является домом для огромной колонии разнообразных бактерий, а также мириадов вирусов, которые на них охотятся. Поскольку типы бактерий, населяющих тело, варьируются от человека к человеку, варьируется и эта вирусная популяция, известная как виром.

В течение двух с половиной лет исследователи из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета под руководством профессора микробиологии Фредерика Д. Бушмана, Ph.D., пристально отслеживали и анализировали виром одного человека. Это позволило получить новые важные данные о том, как вирусная популяция может меняться и эволюционировать, и почему виром одного человека может так сильно отличаться от вирома другого. Эволюция и разнообразие вирома могут влиять на индивидуальную восприимчивость и устойчивость к болезням, а также на различную эффективность лекарств.

Их работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Большая часть вирома состоит из бактериофагов — вирусов, которые заражают бактерии, а не атакуют напрямую человека-хозяина. Однако изменения, которые бактериофаги вносят в бактерии, в конечном итоге также могут влиять на людей.

«Бактериальные вирусы — это хищники для бактерий, поэтому они формируют их популяции, — говорит Бушман. — Бактериальные вирусы также переносят гены токсинов, факторов вирулентности, которые изменяют фенотип своей бактериальной жертвы». Таким образом, безобидная бактерия, живущая в организме, может быть превращена вторгшимся вирусом в опасную угрозу.

В 16 временных точках за 884 дня команда Бушмана собирала образцы стула у здорового мужчины и выделяла вирусные частицы несколькими методами. Затем они выделили и проанализировали ДНК-контиги (непрерывные последовательности) с помощью сверхглубокого секвенирования генома.

«Мы собрали необработанные данные секвенирования, чтобы получить полные и частичные геномы, и проанализировали, как они менялись за два с половиной года», — объясняет Бушман. Результатом стала самая длинная и подробная на сегодняшний день картина функционирования человеческого вирома.

Исследователи обнаружили, что хотя примерно 80% идентифицированных типов вирусов оставались в основном неизменными на протяжении всего исследования, некоторые виды вирусов менялись настолько существенно со временем, что, как отмечает Бушман, «можно было бы сказать, что мы наблюдали события видообразования».

Это было особенно характерно для группы Microviridae — бактериофагов с одноцепочечными кольцевыми ДНК-геномами. Изменения двигали несколько генетических механизмов:

• Замена нуклеотидных оснований.
• Ретроэлементы, генерирующие разнообразие (diversity-generating retroelements), в которых ферменты обратной транскриптазы вносят мутации в геном.
• CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), в которых фрагменты последовательностей ДНК бактериофагов включаются в геномы бактерий в качестве спейсеров.

Такая быстрая эволюция вирома стала, пожалуй, самым неожиданным открытием для исследовательской группы. Бушман отмечает: «У разных людей в кишечнике довольно разные бактерии, поэтому вирусные хищники этих бактерий также разные. Однако другая причина, по которой люди так сильно отличаются друг от друга с точки зрения их вирома, подчеркнутая в этой работе, заключается в том, что некоторые вирусы, попав внутрь человека, меняются очень быстро. Таким образом, часть вирусного сообщества диверсифицируется и становится уникальной внутри каждого индивидуума».

Поскольку бактериальную популяцию — и сопутствующий ей виром — человек приобретает после рождения из пищи и других факторов окружающей среды, логично, что микробное население внутри каждого из нас будет отличаться. Но эта работа демонстрирует, что другим важным объясняющим фактором является постоянная эволюция вирома внутри организма. Этот факт имеет важные последствия для понимания различий в индивидуальной восприимчивости и устойчивости к болезням, а также эффективности различных лекарств и методов лечения.