Метатранскриптомика показала картину экспрессии генов микроорганизмов на коже человека

Кожа — самый крупный орган человека и уникальная экологическая ниша для микроорганизмов. Сообщества обитающих на ней бактерий, грибов и вирусов влияют на ее барьерные функции, иммунный баланс и развитие заболеваний. Исследование микробиоты кожи чаще всего строится на метагеномных данных (то есть секвенирования суммарной ДНК микроорганизмов в образце). Такой подход позволяет оценить видовое разнообразие микробиома и его генетический потенциал, например, наличие генов ферментов, способных проводить определенные биохимических реакций. Однако он не дает ответа на вопрос, какие именно гены активны и какие метаболические пути работают у кожных микроорганизмов. Метатранскриптомика — секвенирование РНК в образце — способна это показать, но метатранскриптомные исследования кожи осложняются малым количеством микробной биомассы, сильным фоном человеческой РНК и низкой стабильностью образцов. Ученые из Сингапура и Великобритании разработали методический подход, позволяющий исследовать метатранскриптомы кожных микроорганизмов, и сравнили полученные данные с метагеномными.

Протокол, предложенный авторами статьи в Nature Biotechnology, включающий сбор мазков с поверхности кожи, стабилизацию материала реагентом DNA/RNA Shield, механический лизис (bead beating), удаление рибосомной РНК с помощью специфических олигонуклеотидов и очистку РНК на колонках. Авторы также создали экспериментальный вычислительный рабочий процесс для идентификации транскрипционно активных видов и путей в микросреде кожи.

Метод протестировали на модельных микробных сообществах, а затем на реальных образцах людей. У 27 здоровых добровольцев взяли мазки с пяти зон: волосистой части головы, щеки, предплечья, локтевого сгиба и промежутка между пальцами ноги. Всего собрали 135 образцов, для которых провели метагеномное и метатранскриптомное секвенирование. Метатранскриптомные библиотеки удалось получить в 75% случаев, причем среднее количество микробных прочтений превышало 3,7 миллиона на образец.

Сравнение метагеномов и метатранскриптомов выявило значительные различия. Например, Cutibacterium acnes доминировала в ДНК-данных (до 90% последовательностей), но транскрипционная активность этого вида была относительно низкой. Грибки рода Malassezia и стафилококки, хотя и уступали другим видам по количеству ДНК, оказались основными источниками транскриптов. При этом преобладание того или иного вида зависело от ниши. На коже головы и щеках были хорошо представлены транскрипты M. restricta, на коже головы, локтевых ямках и предплечьях — M. globosa. В межпальцевых промежутках доминировали Staphylococcus hominis и S. epidermidis, как в метагеномах, так и в метатранскриптомах. Однако вклад видов Staphylococcus в метатранскриптомы был существенным в большинстве участков, несмотря на скромное представительство в метагеномах. Ткаким образом, состав микробного сообщества, определенный по ДНК-данным, не всегда отражает его функциональную активность.

На волосистой части головы и щеке больше кожного сала, чем на других участков кожи, и различие в доступности липидов влияло как на видовой состав микроорганизмов, так и на экспрессию генов. Моделирование метаболических потоков на основе транскриптомов подтвердило, что микроорганизмы используют разные стратегии экспрессии генов для процветания в различных участках кожи, адаптируясь к источникам питательных веществ.

Транскрипционная активность in vivo отличалась от той, что наблюдалась при культивировании в стандартных лабораторных условиях. Например, S. epidermidis в кожных образцах продуцирует больше пропионата, который влияет на барьерные функции и иммунитет кожи. А C. acnes производил больше пропионата в образцах со щеки, чем с кожи головы.

Авторы проанализировали экспрессию генов, вовлеченных в межвидовую конкуренцию, и показали, что кожные микроорганизмы производят широкий спектр антимикробных молекул, включая фенолрастворимые модулины, аутоиндуцирующие пептиды, ферменты, генерирующие свободные радикалы. Особый интерес представляют бактериоцины — пептиды, секретируемые для подавления роста или активности конкурентов. Например, кутимицин, секретируемый C. acnes, может подавлять рост стафилококков. Некоторые из обнаруженных бактериоцинов ранее не были описаны.

Интересно, что экспрессия бактериоцинов имела ярко выраженный «нишевой» характер: например, в образцах из межпальцевых промежутках и с предплечья S. hominis и S. epidermidis чаще экспрессировали лактицин 481, активный против грамположительных бактерий, причем содержание геномов в разных участках кожи не так сильно варьировало.

Методы парной метатранскриптомики и метагеномики выявили более 20 генов, опосредующих микроб-микробные взаимодействия. Так, белок M. restricta, кодируемый геном DNF11_2196, отрицательно коррелировал с присутствием C. acnes.

Метатранскриптомные исследования кожи могут стать ценным дополнением к метагеномным, отмечают авторы. Их исследование показало, что экспрессия генов микробного сообщества непропорциональна видовому составу: так, вклад стафилококков и Malassezia относительно велик, а вклад доминирующей по метагеномным данным C. acnes мал.

Микробные сообщества могут влиять на здоровье кожи, продуцируя естественные увлажняющие факторы, антимикробные вещества или стимуляторы иммунитета. Комбинированный метагеномно-метатранскриптомный подход даст более точное представление о транскриптомной активности и межмикробных взаимодействиях в этих сообществах. Кроме того, метатранскриптомные исследования помогут обнаруживать биомаркеры хозяина и микробов, связанных с тяжестью или траекторией заболевания, а также мишени для таргетной терапии. Это может изменить лечение таких заболеваний кожи, как атопический дерматит, в развитии которого микробиом играет ключевую роль.

Тяжесть протекания лейшманиоза связана с микробиомом кожи и иммунитетом хозяина