Статус интегрированных бактериофагов в микробиоме человека редко менялся в течение двух лет

Бактериофаги — важные регуляторы микробных сообществ кишечника, но их интегрированные формы (профаги) остаются наименее изученными. Традиционные подходы, основанные на коротких прочтениях или выделении вирусоподобных частиц, не позволяют определять, к каким хозяевам относятся профаги, насколько стабильно удерживаются в геноме и как меняют свое состояние со временем. Ученые из США применили глубокое метагеномное секвенирование с длинными прочтениями, чтобы отследить состояние профагов у одних и тех же людей в течение двух лет. Их целью было определить, насколько они стабильны, как часто индуцируются, в чьи геномы встраиваются, и существуют ли необычные механизмы их мобилизации.

Исследователи собрали фекальные образцы у шести здоровых взрослых людей в двух временных точках с интервалом в два года. Для каждого образца провели секвенирование как с короткими (Illumina), так и с длинными прочтениями (Oxford Nanopore) для сравнения. Благодаря высокой длине контигов удалось однозначно восстановить границы интеграции профагов, что затруднительно осуществить с помощью коротких прочтений.

Сравнение геномов между двумя временными точками показало, что профаги являются удивительно стабильными, около 90% из них сохраняли тот же локус интеграции внутри того же хозяина спустя два года. Лишь небольшая часть профагов (5%) оказалась «динамичными», некоторые исчезали, другие появлялись у бактериальных видов, которые присутствовали в обеих временных точках.

Благодаря длинным прочтениям удалось также зафиксировать скрытую гетерогенность популяций бактерий. В 7% случаев в одном и том же образце одновременно присутствовали бактерии с интегрированным профагом и без него (наивные хозяева). Доля наивных бактерий-хозяев сильно варьировала, что указывает на смешанные популяции даже при наличии устойчивой лизогении.

Детекция кольцевых фаговых геномов (признак индукции) показала, что индуцированные фаги почти всегда встречаются в очень низких количествах, что согласуется с теорией медленной циркуляции фагов в кишечнике.

Еще одной важной находкой стало наличие профагов, интегрированных в бактерии разных семейств. Большая часть фагов интегрировалась только в бактерии одного вида (78%) или одного рода (менее 20%). Еще 11 фаговых видов заражали бактерий одного семейства и восемь — одного порядка. Так, один вид фагов находили в геномах представителей семейств Oscillospiraceae, Ruminococcaceae и Butyricicoccaceae. Авторы проверили равномерность покрытия и стыки чтений и получали надежные свидетельства того, что некоторые фаги действительно способны интегрироваться в широкий круг таксономически отдаленных бактерий.

Самым неожиданным открытием стало выявление группы профагов, которые не содержат собственных интеграз, но окружены бактериальными IS30-элементами (от insertion sequence), расположенными на концах фагового генома. Такое устройство напоминает композитные транспозоны, где мобильный элемент использует фланкирующие IS для перемещения. Исследователи показали, что IS30-элементы являются относительно консервативными и, вероятно, именно они обеспечивают интеграцию и эксцизию фага. Другой IS30-элемент на противоположном конце фага часто оказался функционально неактивным. Авторы обнаружили сотни подобных IS30-связанных фагов в крупных базах метагеномов и даже подтвердили, что по крайней мере некоторые из них способны образовывать вирусные частицы (показано в культуре Blautia hansenii). Фаги этого типа получили название IScream.

Таким образом, глубокое секвенирование с длинными прочтениями позволило получить более детальное представление о профагах кишечника человека. В большинстве случаев они стабильны и сохраняются с годами, хотя внутри популяций могут сосуществовать клетки с разным статусом лизогении. Некоторые фаги обладают более широким спектром хозяев, чем считалось ранее, интегрируясь в бактерии разных семейств. Самым важным открытием стала новая группа IS30-опосредованных фагов, демонстрирующая редкий случай одомашнивания бактериальных IS-элементов фагами. Эти результаты существенно расширяют понимание динамики фагов и их эволюции и открывают новые возможности для разработки биотехнологических инструментов на основе фаговых систем.