Как диета направляет эволюцию кишечного микробиома

Кишечный микробиом человека состоит из сотен видов бактерий, которые не только сосуществуют с хозяином, но и активно эволюционируют. Ранее было показано, что внутри одного организма бактерии могут быстро адаптироваться — мутации возникают и закрепляются за считанные недели или месяцы. Однако до сих пор оставалось неясно, насколько такие адаптивные изменения распространяются между разными людьми, то есть на уровне популяций хозяев.

Ключевую роль в адаптации бактерий играют горизонтальный перенос генов и гомологичная рекомбинация, которые обеспечивают передачу участков ДНК между штаммами одного вида и между разными видами. Если такой фрагмент несет полезную мутацию, он может быстро распространяться — это явление называется генспецифическим селективным сдвигом. Ученые из США систематически проанализировали такие сдвиги, чтобы установить, какие адаптации прежде всего подвергаются отбору и какие факторы среды стоят за этим процессом.

Для решения этой задачи исследователи разработали подход к анализу неравновесного сцепления генов — iLDS (integrated linkage disequilibrium score). Он опирается на предположение о том, что при адаптивном сдвиге полезная мутация уносит за собой соседние, часто вредные несинонимичные варианты, которые временно закрепляются в популяции. В результате вблизи адаптивного гена наблюдается повышенное сцепление именно несинонимичных замен.

Сначала авторы проверили гипотезу в эволюционных симуляциях, где показали, что такой сигнал возникает именно при сочетании положительного и очищающего отбора и не объясняется демографией или снижением рекомбинации. Затем они применили iLDS к метагеномным данным кишечной микробиоты 693 человек из разных регионов мира, охватывавшим около 30 наиболее распространенных видов бактерий.

Сигнатуры положительного отбора и селективные сдвиги оказались широко распространены, затрагивая сотни генов. Наиболее часто под действием отбора оказывались гены, связанные с транспортом и метаболизмом углеводов, например, системы утилизации крахмалов и других сложных углеводов. Это указывает на то, что диета хозяина является одним из ключевых факторов, формирующих эволюцию микробиома.

Особенно показательный пример — гены mdxE и mdxF, кодирующие ABC-транспортеры мальтодекстрина. Мальтодекстрин — продукт переработки крахмала, широко используемый в ультрапереработанных продуктах питания как загуститель и подсластитель. Эти гены оказались под сильным отбором у бактерий, обитавших в кишечнике людей из индустриализированных популяций, но практически отсутствовали в неиндустриализированных сообществах.

Хотя общее число событий отбора везде было примерно одинаково, его направление отличалось в индустриализированных и неиндустриализированных популяциях. При этом часть адаптивных вариантов оказалась глобально распространенной, что говорит о наличии общих эволюционных давлений, действующих на микробиом человека по всему миру.
Таким образом, работа демонстрирует, что ген-специфические селективные сдвиги — не редкость, а повсеместный механизм адаптации кишечной микробиоты человека. 

Рекомбинация и горизонтальный перенос позволяют полезным генам быстро распространяться между штаммами и хозяевами, формируя общий эволюционный ответ микробиома на условия среды. Ключевым фактором такого отбора выступает образ жизни человека, прежде всего питание. Появление адаптаций к компонентам современной пищи, таким как мальтодекстрин, подчеркивает, что микробиом эволюционирует синхронно с культурными и технологическими изменениями человека. 

Сообщества кишечных бактерий переключаются между разными равновесными состояниями