Новый инструмент для расшифровки микробиома кишечника

Миллионы бактерий, обитающих в кишечнике, играют очень важную роль в здоровье и болезнях. Тем не мение, Постоянной проблемой было отсутствие понимания фактического состава микробиома здорового кишечника человека.

Теперь, группа ученых разработала новый метод быстрого и полномасштабного анализа всех типов бактерий в кишечнике, а также список видов, обнаруженных в здоровом кишечнике человека, по типу и количеству (GutFeelingKB), и новый шаблон отчета под названием «Отчет о популяции фекального биома» (FecalBiome), который упростит понимание того, что именно происходит в кишечнике.

Кристаллическая структура предполагаемой бета-галактозидазы из Bacteroides fragilis. Изображение предоставлено:Национальные институты здравоохранения.

Микроорганизмы, или микробы, существуют уже очень давно, и формируют как внешнюю, так и внутреннюю среду человека. Слово «микробиом» было придумано Джошуа Ледербергом в 2001 году. как способ привлечь внимание ученых к множественным взаимодействиям между микробами, обитающими в наших телах, и их взаимодействие с нашей человеческой физиологией. Этот термин теперь определяется как «многовидовое сообщество микроорганизмов в любой среде:хозяин, естественная среда, или экосистема ». Далеко не просто захватчики, стремящиеся к нашему уничтожению, микробиом человека включает в себя целый живой мир, принося полный и очень разнообразный набор генов, которые взаимодействуют и изменяются, а также влияют на здоровье человека. Эта микробная генетическая смесь называется метагеномом. Проект «Микробиом человека» (HMP) стартовал в 2008 году и помог активизировать более детальную характеристику и понимание того, как функционируют эти сообщества.

Исследование микробиома кишечника требует сбора и анализа точных данных с высокой пропускной способностью. а также средства для организованной интеграции обработанных данных для хранения, обмен и доступ среди исследовательских групп. Большинство более ранних исследований было сосредоточено на конкретных генах или группах организмов, исключая большие сегменты микробного генома. Также, различные эталоны привели к множеству заявлений о составе кишечника.

Бактерии Bacteroides fragilis, один из основных компонентов нормального микробиома кишечника человека, 3D-иллюстрация Кредит:Катерина Кон / Shutterstock

По факту, в большинстве исследований метагенома используется только небольшой эталонный набор последовательностей нуклеиновых кислот из уже выбранных микробов или микробных генов. Это связано с трудностью сопоставления экспериментальных данных с полной базой данных нуклеотидов, доступной с помощью NCBI (NCBI-nt). Тем не мение, новые алгоритмы теперь могут использовать последний, чтобы позволить более точный анализ экспериментальных данных, чтобы получить профиль микробной численности.

Настоящая работа строится на этом фундаменте, чтобы сформировать базу знаний по ощущениям кишечника - GutFeelingKB - с образцами от здоровой группы участников. Эти образцы кишечной микробиоты были секвенированы, чтобы получить представление о том, как выглядит здоровый метагеном кишечника. Номер образца был заполнен с использованием еще 50 последовательностей, выбранных случайным образом из HMP.

Исследователи также собрали собранные смежные последовательности, или контиги, которые не соответствуют какой-либо последовательности NCBI-nt, но могут быть обнаружены в образцах здоровых фекалий. Таким образом, контиги - это темная материя, не распознается какой-либо известной последовательностью нуклеиновой кислоты, но которые можно объединить в последовательности по 10, 000 нуклеотидов или больше. Эта длина была выбрана для уменьшения количества посторонних (искусственных) контигов темной материи, в то же время включая микробную темную материю. Таким образом, GutFeelingKB представляет собой обширную базу знаний о здоровом микробиоме кишечника человека.

Затем это было использовано в качестве справочного материала для создания стандартного шаблона отчетности, в котором можно сообщать об отдельных микробиомах, чтобы позволить прямое сравнение результатов между исследованиями и образцами.

Ученые также создали новый рабочий процесс, используя несколько компьютерных программ и базу данных отфильтрованных микробных последовательностей кишечника под названием Filtered-nt, содержащий почти 35, 000, 000 последовательностей, которые позволяют биологически релевантную интерпретацию последовательностей образцов, обеспечивая при этом уверенность в том, что включено все известное пространство последовательностей.

• Алгоритм CensuScope сначала идентифицирует организмы, чтобы получить микробный профиль образца. Если какие-либо из идентифицированных организмов еще не находятся в GutFeelingKB, они добавляются.
• Во-вторых, HIVE-hexagon используется для создания карты считывания для всех считываний в каждом образце путем быстрого и точного сопоставления коротких считываний с известными последовательностями. Это дает профили численности.
• Наконец-то, IDBA-UD используется для сборки считываний. Если они имеют длину 10 000 нуклеотидов или больше, они включены в темную материю метагенома. Добавление этого к предыдущему анализу дает сумму известных и неизвестных организмов в микробиоме.
• MaAsLin также использовался, чтобы связать диетические факторы с профилем численности бактерий, учет различий в диете каждого человека изо дня в день, а также между разными людьми.

Таким образом, GutFeelingKB представляет собой тщательно подобранную коллекцию нуклеотидных последовательностей с метаданными от 157 организмов 60 родов.

Таким образом, микробиом здорового человека состоит из представителей 8 типов, 18 семей, 60 родов и 109 видов, в основном из филы Firmicutes (40%) и Bacteroidetes (20%). Еще 20% происходят от актинобактерий. Среди фирмикутов, более половины - Clostridia, за ними следуют Bacteroides, Бифидобактерии, Энтеробактерии и лактобациллы.

Все пробы были положительными на 84 из 109 организмов, что, возможно, представляет собой основной список видов.

Тем не мение, важно отметить, что во всем мире были нанесены на карту определенные организмы, которых нет в GutFeelingKB, такие как Fusobacteria, некоторые виды Actinobacter и Bacteroides. Функция этой платформы будет действовать как стартовая площадка для сравнения результатов анализа образцов от здоровых людей. и дать больше информации об изменениях, наблюдаемых под влиянием диетических факторов, болезни и лекарства.

Организмы в кишечнике

Bacteroides - единственный наиболее многочисленный род во многих странах, в здоровье. Обычно они полезны внутри кишечника, но если они ускользнут, они используют шанс вызвать инфекции, которые часто устойчивы к лекарствам и могут привести к 20% летальности. Тем не мение, в кишечнике они защищают от других патогенов и помогают расщеплять углеводы в рационе.

Сходным образом, Бифидобактерии - одни из первых поселенцев кишечника, часто встречаются в пробиотиках, и продуцируют важный ацетат короткоцепочечных жирных кислот (SCFA), который укрепляет эпителиальный барьер кишечника против инфекции. Один штамм Bifidobacterium longum был обнаружен у одного человека в группе особенно долгожителей в Китае.

Диета и питательные вещества - как они связаны с кишечными бактериями?

Число бифидобактерий увеличивается с повышенным потреблением белка, и особенно с растительным белком. Пищевая растворимая клетчатка также способствует ее росту. Аккермансия связана с насыщенными жирами и линолевой кислотой, но отрицательно связаны с полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК). Число Bacteroides ovatus увеличивается с увеличением количества потребляемой пищи, ожирение и окружность талии. Эти примеры помогают нам понять, как эти цифры могут быть использованы для принятия мер в отношении здоровья для исправления дисбаланса микробиома в будущем.

Шаблон FecalBiome

Шаблон отчетности, опубликованный в данном исследовании, призван заменить нестандартные форматы, используемые различными коммерческими и исследовательскими группами, что затрудняет их интерпретацию и сравнение. Он преобразует данные исследования в клинический отчет, помогая сделать его незамедлительным.

FecalBiome имеет три домена:Образец, Пациент и результат, напоминающий отчет метаболической панели. Это также позволяет сотрудникам быстро обмениваться большим объемом информации, когда исследования проводятся в самых разных местах. Порог для отчетности может быть установлен индивидуально в соответствии с целью исследования. Он сообщает об изобилии, средняя численность и информация о присутствующих микробах.

Резюме

Таким образом, настоящий отчет позволяет связать исследования кишечных бактерий с понятной информацией о здоровье. делая его актуальным для медицинской практики и пациента. Это также позволяет легко сравнивать исследования. Это поможет быстрее пересмотреть продукты, заменяющие кишечник, и способствовать прогрессу доказательной медицины.

Исследование было опубликовано 11 сентября. 2019, в PLOS ONE .

• Простой генетический тест может повысить частоту ответа у детей с эозинофильным эзофагитом
• Новая модель трансплантации микробиома влагалища