Forskare kopplar "genetiska signaturer" av bakterier i människans tarm till flera sjukdomar

Vi är verkligen aldrig ensamma, inte ens i våra egna kroppar. Människan är värd för biljoner bakterier, svampar, virus, och andra mikroorganismer som utgör det mänskliga mikrobiomet. Under de senaste åren har blandningen av dessa bosatta bakterier, och förekomsten av specifika bakteriearter, har kopplats till tillstånd som sträcker sig från fetma till multipel skleros.

Nu, gå ett steg längre, forskare vid Harvard Medical School och Joslin Diabetes Center har gått utöver mikrobiella arter. Analys av den genetiska sammansättningen av bakterier i människans tarm, laget har framgångsrikt kopplat grupper av bakteriegener, eller "genetiska signaturer, "till flera sjukdomar.

Arbetet tar forskare närmare att utveckla tester som kan förutsäga sjukdomsrisk eller identifiera förekomst av sjukdom baserat på ett urval av den genetiska sammansättningen av en persons mikrobiom.

Resultaten, publiceras 18 maj Naturkommunikation , koppla uppsättningar av bakteriella gener till förekomsten av kranskärlssjukdom, levercirros, inflammatorisk tarmsjukdom, koloncancer, och typ 2 -diabetes. Analysen indikerar att tre av dessa tillstånd-kranskärlssjukdom, inflammatorisk tarmsjukdom, och levercirros-delar många av samma bakteriegener. Med andra ord, människor vars tarmar har dessa bakteriegener verkar mer benägna att ha ett eller flera av dessa tre tillstånd.

Arbetet representerar ett betydande framsteg i den nuvarande förståelsen av förhållandet mellan mikrober som bor i människans tarm och specifika sjukdomar, sa laget. Om det bekräftas genom ytterligare forskning, resultaten kan informera om utformningen av verktyg som kan mäta en persons risk för en rad olika förhållanden baserat på analys av ett enda avföringsprov, tillade de.

Detta öppnar ett fönster för utveckling av tester med cross-disease, genbaserade indikatorer på patienthälsa. Vi har identifierat genetiska markörer som vi tror kan leda till tester, eller bara ett test, att identifiera föreningar med ett antal medicinska tillstånd. "

Braden Tierney, Studera första författare och doktorand, Programmet för biologiska och biomedicinska vetenskaper, Harvard Medical School

Forskarna varnar för att deras studie inte var avsedd att belysa exakt hur och varför dessa mikrobiella gener kan kopplas till olika sjukdomar. Än så länge, de sa, det är fortfarande oklart om dessa bakterier är inblandade i sjukdomsutveckling eller bara är åskådare i denna process.

Målet med studien var att avgöra om grupper av gener på ett tillförlitligt sätt kan indikera förekomsten av olika sjukdomar. Dessa nyligen identifierade mikrobiella genetiska signaturer, dock, kunde studeras vidare för att avgöra vilken roll, om någon, organismerna spelar i sjukdomsutvecklingen.

"Vår studie understryker värdet av datavetenskap för att reta upp komplext samspel mellan mikrober och människor, "sade studiens seniorförfattare Chirag Patel, docent i biomedicinsk informatik vid Blavatnik Institute vid HMS.

Forskarna började med att samla in mikrobiodata från 13 grupper av patienter på totalt mer än 2, 500 prover. Nästa, de analyserade data för att identifiera kopplingar mellan sju sjukdomar och miljontals mikrobiella arter, mikrobiella metaboliska vägar, och mikrobiella gener. Genom att prova en mängd olika modelleringsmetoder-beräkna totalt 67 miljoner olika statistiska modeller-kunde de observera vilka mikrobiomfunktioner som konsekvent framstod som de starkaste sjukdomsassocierade kandidaterna.

Av alla de olika mikrobiella egenskaperna-arter, vägar, och gener-mikrobiella gener hade den största prediktionskraften. Med andra ord, sa forskarna, grupper av bakteriella gener, eller genetiska signaturer, snarare än bara förekomsten av vissa bakteriefamiljer, var närmast kopplade till förekomsten av ett givet tillstånd.

Några av de viktigaste observationerna inkluderade:

Kluster av bakteriella gener, eller genetiska signaturer, snarare än enskilda bakteriegener, verkar implicerade i olika typer av mänsklig sjukdom.

Kranskärlssjukdom, inflammatorisk tarmsjukdom, och levercirros har liknande genetiska signaturer i tarmmikrobiomen.

Diabetes typ 2, däremot, har en mikrobiomsignatur till skillnad från någon annan fenotyp som testats.

Analysen hittade inte ett konsekvent samband mellan närvaron av bakteriearten Solobacterium moorei och tjocktarmscancer-en förening som tidigare rapporterats i många studier. Dock, forskarna identifierade speciella gener från en S. moorei -underart i samband med kolorektal cancer. Detta fynd indikerar att analys på gennivå kan ge biomarkörer för sjukdomar med större precision och mer specificitet jämfört med nuvarande metoder.

Patel sa att detta resultat understryker tanken att det inte bara är närvaron av en given bakteriefamilj som kan innebära risk, utan snarare stammarna och gensignaturerna hos mikroberna som spelar roll. Möjligheten att identifiera sammankopplingar med sådan precision kommer att vara avgörande för att utforma tester som kan mäta risk på ett tillförlitligt sätt, han lade till. Således, i detta specifika exempel, ett test avsett att mäta risken för tjocktarmscancer genom att bara upptäcka förekomsten av S. moorei i tarmen är kanske inte lika tillförlitlig som ett mer raffinerat test som mäter bakteriegener för att detektera förekomsten av specifika stammar av S. moorei som är associerade med koloncancer.

Två tillstånd-öroninflammation och godartade mjukvävnadstumörer som kallas adenom-visade svaga associationer med tarmmikrobiomet, tyder på att mikroorganismer som bor i människans tarm sannolikt inte kommer att spela någon roll i utvecklingen av dessa tillstånd, De kommer inte heller att vara tillförlitliga indikatorer på att dessa villkor finns.

I en tidigare studie, HMS-teamet använde massiva mängder offentligt tillgängliga DNA-sekvensdata från humana orala och tarmmikrobiomer för att uppskatta storleken på universum av mikrobiella gener i människokroppen. Analysen avslöjade att det kan finnas fler gener i det kollektiva mänskliga mikrobiomet än stjärnor i det observerbara universum.

Med tanke på det stora antalet mikrobiella gener som finns i människokroppen, de nya fynden utgör ett stort steg framåt för att förstå komplexiteten i samspelet mellan mänskliga sjukdomar och det mänskliga mikrobiomet, sa forskarna.

"Det slutliga målet med beräkningsvetenskap är att generera hypoteser från en enorm mängd data, "sa Tierney." Vårt arbete visar att detta kan göras och öppnar så många nya vägar för forskning och utredning att vi bara är begränsade av tiden, människor, och resurser som behövs för att köra dessa tester. "

• Sequentia samarbetade med Nextbiomics för att få en ny immuniseringsmodell mot COVID-19
• Nanoteknik och COVID-19 diagnos och behandling