Обитатель кишечника Bacteroides fragilis эволюционирует в организме хозяина

До сих пор в геномах бактерий изучали адаптивные мутации, которые фиксируются отбором в ответ на резкое изменение условий среды (например, воздействие антибиотиков). Желудочно-кишечный тракт человека рассматривался как почти неизменная среда обитания. Однако кишечный микробиом человека — гетерогенная индивидуализированная экосистема, подверженная воздействиям других микроорганизмов, иммунной системы хозяина, его режима питания. Исследователи из США на примере комменсала Bacteroides fragilis показали, что эти факторы также приводят к адаптивным мутациям, специфичным для каждого хозяина.

Ученые использовали культуральные методы в сочетании с геномным и метагеномным анализом. Из образцов фекалий 12 здоровых людей они получили 602 изолята B. fragilis. каждый изолят происходил из единственной клетки исходного микробного сообщества. Сравнение геномов показало, что изоляты из образцов, полученных от разных людей, различаются более чем на 10 000 однонуклеотидных полиморфизмов (single nucleotide polymorphism, SNP). Различия же между штаммами, полученными из кишечника одного человека, составляли не более 100 SNP. Следовательно, кишечник каждого индивида населен уникальной линией B. fragilis.

Далее ученые оценили время формирования сублиний внутри каждой линии. Возраст сублиний в каждом случае был значительно меньше возраста хозяина. Это говорит о том, что уникальная популяция B. fragilis сложилась в кишечнике каждого индивида в процессе его жизни.

Для оценки вклада адаптивных мутаций в эволюцию B. fragilis в организме хозяина необходимо было найти гены с признаками параллельной эволюции. (Параллельная эволюция, то есть независимое возникновение сходных мутаций, служит признаком генов — мишеней естественного отбора.) Ученые идентифицировали 16 таких генов в 12 линиях бактерии, при этом большинство нуклеотидных замен были несинонимичными. Пять из 16 генов вовлечены в биосинтез клеточной оболочки, шесть являются гомологами генов, кодирующих транспортные мембранные белки — импортеры сложных полисахаридов. Изменения в этих генах могли возникнуть в ответ на смену диеты хозяина и для усиленного сопротивления иммунной системе хозяина или бактериофагам.

С наибольшей частотой встречалась мутация в гене BF2755 — предполагаемого периплазматического белка, — приводящая к замене глутамина на пролин (Q100P). Чтобы выяснить, насколько распространена эта мутация, ученые проверили ее наличие в человеческих метагеномах различного происхождения: проанализировали две китайские базы данных, одна британская и одна из США. Выяснилось, что замену Q100P содержат 15% западных метагеномов и лишь 1,5% китайских. Эти результаты позволяют предположить, что кишечный микробиом индивидов западного происхождения подвержен факторам среды, создающим более высокое давление отбора по сравнению с микробиомом жителей Китая.

Результаты исследования свидетельствуют о том, что бактерии желудочно-кишечного тракта способны быстро эволюционировать, вырабатывая механизмы адаптации, специфичные для кишечника каждого индивида. Авторы работы считают, что это явление может сильно влиять на динамику микробного сообщества. Его необходимо учитывать при разработке штаммов пробиотиков, способных к максимально эффективной и продолжительной колонизации кишечника.