Forskere knytter "genetiske signaturer" av bakterier i tarmene til flere sykdommer

Vi er virkelig aldri alene, ikke engang i vår egen kropp. Mennesker er vert for billioner av bakterier, sopp, virus, og andre mikroorganismer som utgjør det humane mikrobiomet. I de senere år, blandingen av disse bosatte bakteriene, og tilstedeværelsen av spesifikke bakteriearter, har vært knyttet til tilstander som strekker seg fra fedme til multippel sklerose.

Nå, gå et skritt lenger, forskere ved Harvard Medical School og Joslin Diabetes Center har gått utover mikrobielle arter. Analyserer den genetiske sammensetningen av bakterier i menneskets tarm, teamet har lykkes med å koble grupper av bakterielle gener, eller "genetiske signaturer, "for flere sykdommer.

Arbeidet bringer forskere nærmere å utvikle tester som kan forutsi sykdomsrisiko eller identifisere sykdomstilstedeværelse basert på et utvalg av den genetiske sammensetningen av en persons mikrobiom.

Funnene, publiseres 18. mai i Naturkommunikasjon , kobler sett med bakterielle gener til tilstedeværelsen av koronarsykdom, levercirrhose, inflammatorisk tarmsykdom, tykktarmskreft, og diabetes type 2. Analysen indikerer at tre av disse tilstandene-koronararteriesykdom, inflammatorisk tarmsykdom, og levercirrhose-deler mange av de samme bakteriegenene. Med andre ord, mennesker hvis tarm har disse bakteriegenene synes mer sannsynlig å ha en eller flere av disse tre tilstandene.

Arbeidet representerer et betydelig fremskritt i den nåværende forståelsen av forholdet mellom mikrober som bor i den menneskelige tarmen og spesifikke sykdommer, sa teamet. Hvis det bekreftes gjennom ytterligere forskning, resultatene kan informere om utformingen av verktøy som kan måle en persons risiko for en rekke forhold basert på analyse av en enkelt avføringsprøve, la de til.

Dette åpner et vindu for utvikling av tester ved bruk av krysssykdom, genbaserte indikatorer på pasienthelse. Vi har identifisert genetiske markører som vi tror til slutt kan føre til tester, eller bare en test, å identifisere assosiasjoner til en rekke medisinske tilstander. "

Braden Tierney, Studer første forfatter og doktorgradsstudent, Biologisk og biomedisinsk vitenskapsprogram, Harvard medisinsk skole

Forskerne advarer om at studien ikke var designet for å belyse nøyaktig hvordan og hvorfor disse mikrobielle genene kan være knyttet til forskjellige sykdommer. Så langt, de sa, det er fortsatt uklart om disse bakteriene er involvert i sykdomsutvikling eller bare er tilskuere i denne prosessen.

Målet med studien var å avgjøre om grupper av gener pålitelig kunne indikere tilstedeværelsen av forskjellige sykdommer. Disse nylig identifiserte mikrobielle genetiske signaturene, derimot, kunne studeres videre for å avgjøre hvilken rolle, hvis noen, organismer spiller i sykdomsutvikling.

"Vår studie understreker verdien av datavitenskap for å erte komplekse samspill mellom mikrober og mennesker, "sa studiens seniorforfatter Chirag Patel, førsteamanuensis i biomedisinsk informatikk i Blavatnik Institute ved HMS.

Forskerne startet med å samle inn mikrobiodata fra 13 grupper av pasienter på til sammen mer enn 2, 500 prøver. Neste, de analyserte dataene for å finne sammenhenger mellom syv sykdommer og millioner av mikrobielle arter, mikrobielle metabolske veier, og mikrobielle gener. Ved å prøve ut en rekke modelleringsmetoder-beregne totalt 67 millioner forskjellige statistiske modeller-var de i stand til å observere hvilke mikrobiomfunksjoner som konsekvent fremsto som de sterkeste sykdomsassosierte kandidatene.

Av alle de forskjellige mikrobielle egenskapene-arter, veier, og gener-mikrobielle gener hadde den største prediktive kraften. Med andre ord, sa forskerne, grupper av bakterielle gener, eller genetiske signaturer, i stedet for bare tilstedeværelsen av visse bakteriefamilier, var tettest knyttet til tilstedeværelsen av en gitt tilstand.

Noen av de viktigste observasjonene inkluderer:

Klynger av bakterielle gener, eller genetiske signaturer, i stedet for individuelle bakteriegener, vises implisert i forskjellige typer menneskelig sykdom.

Koronararteriesykdom, inflammatorisk tarmsykdom, og levercirrhose har lignende tarmmikrobiom genetiske signaturer.

Type 2 diabetes, derimot, har en mikrobiomsignatur i motsetning til noen annen fenotype som er testet.

Analysen fant ikke en konsistent sammenheng mellom tilstedeværelsen av bakteriearten Solobacterium moorei og tykktarmskreft-en forening som tidligere er rapportert i mange studier. Derimot, forskerne identifiserte bestemte gener fra en S. moorei -underart assosiert med tykktarmskreft. Dette funnet indikerer at gen-nivå analyse kan gi biomarkører for sykdom med større presisjon og mer spesifisitet sammenlignet med dagens tilnærminger.

Patel sa at dette resultatet understreker forestillingen om at det ikke bare er tilstedeværelsen av en gitt bakteriefamilie som kan være en risiko, men heller stammene og gensignaturene til mikrober som betyr noe. Evnen til å identifisere sammenkoblinger med slik presisjon vil være avgjørende for å designe tester som kan måle risiko på en pålitelig måte, han la til. Og dermed, i dette spesifikke eksemplet, en test som er beregnet på å måle tykktarmskreftrisiko ved å bare påvise tilstedeværelsen av S. moorei i tarmen, er kanskje ikke like pålitelig som en mer raffinert test som måler bakteriegener for å oppdage tilstedeværelsen av spesifikke stammer av S. moorei som er assosiert med tykktarmskreft.

To tilstander-ørebetennelse og godartede bløtvevssvulster kalt adenomer-viste svake assosiasjoner til tarmmikrobiomet, antyder at mikroorganismer som bor i tarmene hos mennesker ikke sannsynligvis vil spille en rolle i utviklingen av disse tilstandene, De vil heller ikke være pålitelige indikatorer på at disse forholdene er tilstede.

I en tidligere studie, HMS-teamet brukte enorme mengder offentlig tilgjengelige DNA-sekvenseringsdata fra menneskelige orale og tarmmikrobiomer for å estimere størrelsen på universet av mikrobielle gener i menneskekroppen. Analysen avslørte at det kan være flere gener i det kollektive menneskelige mikrobiomet enn stjerner i det observerbare universet.

Gitt det store antallet mikrobielle gener som befinner seg i menneskekroppen, de nye funnene representerer et stort skritt fremover for å forstå kompleksiteten i samspillet mellom menneskelige sykdommer og det menneskelige mikrobiomet, sa forskerne.

"Det endelige målet med beregningsvitenskap er å generere hypoteser fra et stort antall data, "sa Tierney." Vårt arbeid viser at dette kan gjøres og åpner så mange nye veier for forskning og undersøkelser at vi bare er begrenset av tiden, mennesker, og ressursene som trengs for å kjøre disse testene. "

• Sequentia samarbeidet med Nextbiomics for å skaffe en ny immuniseringsmodell mot COVID-19
• Nanoteknologi og COVID-19 diagnose og behandling