Кишечная микробиота эволюционирует вместе с людьми

Микробиом кишечника человека содержит сотни видов бактерий, многие из которых встречаются у людей во всем мире. Однако в пределах одного бактериального вида некоторые штаммы могут демонстрировать заметную популяционную специфичность. Считается, что разнообразие штаммов в кишечнике человека формировалось в результате миграции людей из Африки. Яркий пример — обитающая в желудке бактерия Helicobacter pylori, разнообразие штаммов которой повторяет географические закономерности, соответствующие моделям миграции людей. Эти факты наводят на мысль о совместной диверсификации (эволюции) человеческих популяций и микробиома. Однако подобные закономерности до сих пор остается малоизученной.

Чтобы исследовать кодиверсификацию хозяина и его микробиоты, международная группа ученых сгенерировала новые парные наборы данных о кишечном микробиоме и генотипе его хозяина. Данные были получены от индивидов, живущих в Габоне, Вьетнаме и Германии. Однонуклеотидные полиморфизмы (SNP) в геномах людей исследовали с помощью чипов, также изучали фекальные метагеномы; в том числе были получены пары метагеномов для матерей и детей. Полученные данные были объединены с общедоступными геномами людей и их микробиоты из Камеруна, Южной Кореи и Великобритании. В целом исследование охватило 839 взрослых и 386 детей.

На основании данных по 20 506 SNP в геномах людей ученые методом максимального правдоподобия построили филогенетическое дерево. Как и ожидалось, участники распределились по трем основным группам, соответствующие регионам происхождения, причем индивиды из Азии и Европы образовали родственные клады, произошедшие от особей из Африки. Затем ученые построили дерево для 59 видов бактерий и архей, наиболее распространенных среди исследуемых субъектов. Сравнение полученных деревьев показало, что 36 из 59 таксонов, включая такие виды, как Collinsella aerofaciens, Catenibacterium mitsuokai, Eubacterium rectale и Prevotella copri, имеют сходную филогению с человеком хозяином.

Ученые также искали сигнал кодиверсификации в каждой отдельно взятой стране. Наиболее четкий сигнал был связан с P. copri. Однако важно отметить, что в тестах внутри страны участвовало меньше людей, поэтому сигнал о совместной диверсификации, как правило, был слабее.

Затем исследователи протестировали на кодиверсификацию микробиом кишечника детей и обнаружили, что среди 20 наиболее распространенных «детских» таксонов 9 имели хороший сигнал. Самый сильный был у Bifidobacterium longum. Кроме того, кодиверсифицирующие штаммы, как правило, были общими для матерей и детей, что в очередной раз подтверждает вертикальную передачу микробиома.

Согласно гипотезе авторов работы, виды бактерий, которые кодиверсифицировались со своими хозяевами, лучше адаптированы к окружающей среде хозяина, чем те, которые этого не сделали. Следовательно, виды с высокой степенью диверсификации должны иметь четкие признаки адаптации к хозяину. Чтобы проверить наличие таких признаков, ученые собрали общедоступные последовательности геномов для 59 видов. Как и ожидалось, степень кодиверсификации была обратно пропорциональна размеру генома (он уменьшается с утратой функций, которые перестают быть необходимыми) и положительно коррелировала с содержанием аденина и тимина ( ранее было показано, что в редуцированных геномах симбиотических бактерий возрастает содержание АТ, в частности, из-за потери генов репарации, дезаминирования цитозина и окисления гуанина) Первая из корреляций осталось значимой и после поправки на филогенетические связи. Штаммы, которые диверсифицировались вместе с людьми, по-видимому, стали более зависимыми от хозяев: они обладают меньшей устойчивостью к антибиотикам, с большей вероятностью погибают при воздействии атмосферного кислорода и плохо растут при охлаждении ниже температуры тела.

«Результаты показывают, что сообщества кишечных бактерий — это не случайные скопления, они отражают происхождение человеческих популяций», — написал в комментарии для Science Эндрю Мёллер из Корнельского университета, который ранее вместе с коллегами продемонстрировал коэволюцию кишечных бактерий и гоминид. Он подчеркнул, что эти результаты имеют практическое значение: если кишечный микробиом адаптирован к определенному генотипу хозяина, то, возможно, терапия на основе микробиоты, например, фекальная трансплантация, станет эффективнее при учете генеалогической истории как пациентов, так и штаммов кишечных бактерий.

На микробиом кишечника больше влияют условия жизни, чем наследственность

Микробиомы неандертальцев и современных людей похожи