Новый внехромосомный элемент Inocle обнаружен в бактериях ротовой полости

Бактерии ротовой полости человека постоянно подвергаются стрессовым воздействиям: им приходится конкурировать за питательные вещества, противостоять действию антибиотиков, реагировать на лекарства и иммунный ответ организма. Чтобы расширить свой адаптивный потенциал, бактерии приобретают дополнительные гены через мобильные элементы, в том числе внехромосомные, такие как плазмиды. У патогенных бактерий внехромосомные элементы хорошо изучены, но у комменсалов человека, включая обитателей ротовой полости, их разнообразие и роль остаются практически неизвестными. Исследователи из Японии использовали современные методы метагеномики и обнаружили новый тип внехромосомных элементов, который назвали Inocle (Insertion-sequence encoded, oral origin, circular). Оказалось, что эти гигантские плазмидоподобные кольцевые ДНК размером до 395 тыс. п.о. встречаются у людей по всему миру.

Проблема анализа слюнных метагеномов заключается в том, что до 95% выделяемой ДНК принадлежит человеку. Для преодоления этого барьера исследователи разработали метод preNuc, позволяющий разрушать внеклеточную (в основном человеческую) ДНК нуклеазой. В результате доля человеческих ридов в данных сократилась вдвое, что резко повысило глубину и качество сборки бактериальных геномов при секвенировании на платформе PromethION.

Собрав более 69 тыс. высококачественных контингов, ученые выявили 85 новых элементов, среди которых выделялся обособленный кластер длиной 293–395 тыс. п.о., представленный кольцевыми молекулами с сотнями генов. Эти элементы получили название Inocle. Они оказались чрезвычайно распространены: анализ 476 метагеномов показал, что у 74% людей по всему миру присутствуют Inocle.

Филогенетический анализ маркерного гена InoC позволил разделить Inocle на четыре группы: α, β, γ и δ. Каждая группа отличается размером генома, составом тРНК и особенностями нуклеотидного состава. Более того, они занимают разные ниши в полости рта: Inocle-α обнаруживается преимущественно на спинке языка, β и δ — на слизистой щек, γ — на деснах. Основными хозяевами Inocle оказались бактерии рода Streptococcus, однако при культивировании в жидкой среде Inocle быстро теряются, что объясняет их отсутствие в геномах из коллекций.

Функциональная аннотация выявила, что значительная часть генов Inocle связана с ответами на стресс: репарацией ДНК, устойчивостью к окислительному стрессу, регуляцией транскрипции. Около 20% генов кодируют белки клеточной стенки, включая бифункциональные трансгликозилазы, сортазы и белки с мотивом LPXTG. Эти системы позволяют бактериям укреплять клеточную стенку и прикрепляться к эпителию, что потенциально способствует колонизации и защищает от иммунных атак.

Интересно, что Inocle-α демонстрируют статистически значимые связи с иммунным профилем человека. У носителей повышена доля В-клеток памяти и наивных В-клеток, а также экспрессия белков, участвующих в противоинфекционных реакциях (например, в сигнальных путях NF-κB, TNF и ответах на Helicobacter pylori, Salmonella и др.). При этом выявлена обратная корреляция с популяциями моноцитов. Еще один важный результат — заметное снижение количества Inocle-α у пациентов с опухолями головы и шеи и колоректальным раком, но не при панкреатическом раке или аутоиммунных заболеваниях.

Таким образом, исследование описывает новое семейство гигантских плазмидоподобных элементов, которые ранее ускользали от анализа. Inocle способны существенно расширять адаптивные возможности стрептококков ротовой полости, помогая им переносить окислительный стресс и повреждения ДНК, а также взаимодействовать с эпителием. Их присутствие коррелирует с особенностями иммунного ответа человека, а снижение их количества при определенных видах рака указывает на возможный диагностический потенциал.

Внехромосомная кольцевая ДНК способствует онкогенезу