Diferențele genetice ascunse ale bacteriilor intestinale pot oferi indicii despre îmbătrânire
Două persoane pot avea bacterii intestinale similare, dar profile genetice microbiene diferite. Un studiu extins investighează dacă aceste diferențe ascunse oferă indicii despre îmbătrânire, metabolism și sănătatea umană.
Într-un studiu recent publicat în revista Nature, cercetătorii au analizat asociațiile dintre variantele genetice ale microbilor intestinali, cunoscute sub numele de variante de nucleotide unice (SNV), și o gamă largă de fenotipuri de sănătate umană și expuneri de mediu, folosind o abordare de asociere fenome-wide.
Ar putea diferențele genetice dintre bacteriile intestinale să explice de ce unele persoane au rezultate de sănătate diferite, chiar și atunci când au microbiomi similari? Microbiomul intestinal este extrem de divers din punct de vedere genetic, chiar și în cadrul aceleași specii.
Microbiomul intestinal a fost asociat cu diverse boli cronice. Cu toate acestea, studiile care se concentrează pe speciile microbiene nu iau în considerare diversitatea genetică care influențează funcțiile microbiene și interacțiunile dintre microbiota și gazdă. De exemplu, mai multe variante genomice microbiene au fost asociate cu boli inflamatorii intestinale, cancer gastric, diabet de tip 2 și alte tulburări metabolice.
Investigațiile sistematice asupra unei game largi de fenotipuri umane rămân limitate. Este necesară o cercetare suplimentară pentru a clarifica aceste relații genetice și semnificația lor biologică.
Cercetătorii de la Universitatea Medical Center Groningen din Olanda au condus studiul, în colaborare cu cercetători din instituții din Italia, Tanzania, Statele Unite, România și Germania.
Ei au analizat datele de secvențiere metagenomică whole-genome shotgun (WGS) din 11.831 de probe fecale colectate de la 10.781 de persoane din șase cohorte independente. Cinci cohorte au fost din Olanda, iar a șasea din Tanzania.
Seturile de date au inclus Proiectul Olandez de Microbiom (DMP), Lifelines-DEEP (LLD), Proiectul de Genomică Funcțională 500 (500FG), 300-Obezitate (300OB), Proiectul de Boli Inflamatorii Intestinale 1000 (1000IBD) și Proiectul de Genomică Funcțională 300-Tanzania (300TZFG).
Genotipurile microbiene intestinale au fost caracterizate folosind GT-Pro, care a identificat SNV-uri în genomurile bacteriene. După filtrarea calității, cercetătorii au identificat aproximativ 12,8 milioane de SNV-uri microbiene comune, reducând setul la aproximativ 12,7 milioane în 433 de specii bacteriene. De asemenea, au armonizat 244 de caracteristici ale gazdelor, incluzând 157 de fenotipuri intrinseci și 87 de factori de expunere de mediu.
Un model liniar mixt (LMM) a fost dezvoltat pentru a ține cont de structura genetică a populației din cadrul speciilor și pentru a minimiza asocierile care ar putea apărea din diferențele în liniile bacteriene. Vârsta, sexul, abundența speciilor microbiene și numărul de citiri de secvențiere curate au fost incluse ca variabile covariate, acolo unde era cazul.
Pentru fiecare specie, analiza a inclus doar probele inferate ca fiind dominate de o singură tulpină. Analizele de asociere au fost efectuate independent în cele șase cohorte, urmate de o meta-analiză ponderată în funcție de dimensiunea eșantionului.
Gruparea bazată pe echilibrul de legătură și testele de permutare au fost utilizate pentru a identifica asocieri independente și bine susținute. Analizele structurale ale proteinelor au fost apoi efectuate pentru a investiga posibilele consecințe funcționale ale variantelor asociate.
Analiza a identificat inițial 12.761.497 de SNV-uri microbiene comune și a păstrat 12.706.564 în 433 de specii bacteriene. Aceste specii reprezentau în medie 84,3% din comunitatea microbiană intestinală. Cele mai multe variante (93,02%) se aflau în regiunile care codifică proteine. Din variantele păstrate, 75,39% au fost sinonime, 17,45% au fost missense, iar 0,18% afectau codonii de start sau stop. Variantele rămase se aflau în regiunile care nu codifică proteine.
Analiza de asociere fenome-wide a detectat inițial 49.346 de asocieri semnificative și bine susținute, implicând 39.663 de SNV-uri în 101 specii bacteriene și 69 de fenotipuri sau factori de expunere. Gruparea suplimentară bazată pe echilibrul de legătură a dus la identificarea a 940 de semnale de asociere independente. Acestea includeau 810 asocieri cu caracteristici intrinseci și 130 cu expuneri de mediu. Din cele 49.346 de asocieri semnificative, 85,76% au fost susținute de două cohorte independente, în timp ce 14,24% au fost susținute de trei sau mai multe cohorte.
Dintre cele 940 de semnale de asociere independente, 65,74% nu au arătat o asociere semnificativă cu abundența speciilor bacteriene. Aceasta indică faptul că diferențele genetice bacteriene pot fi asociate cu caracteristicile umane chiar și atunci când abundența acelor specii bacteriene nu prezintă o relație semnificativă.
Printre cele 533 de relații specie-fenotip identificate la nivelul SNV, 460 (86,30%) au fost detectate exclusiv prin analiza bazată pe SNV, mai degrabă decât prin analiza abundenței speciilor sau a variantelor structurale. Numai cinci relații au arătat asocieri în întreaga abundență a speciilor, SNV-uri și variante structurale.
Vârsta a demonstrat cel mai mare număr de asocieri, cu 99 de semnale independente implicând 8.117 SNV-uri în 42 de specii bacteriene. Un model de învățare automată antrenat folosind informații genetice microbiene a prezis vârsta cronologică și a explicat 12,8%–42,0% din variația vârstei în seturi de date de testare independente.
O descoperire notabilă a implicat cinci SNV-uri missense în gena sarA_2 a Faecalibacterium prausnitzii (liniile I). Aceste variante au fost asociate cu vârsta gazdei și s-au aflat într-o regiune care codifică o proteină implicată într-un complex de transport al oligopeptidelor.
Persoanele ale căror probe fecale conțineau alela bacteriană asociată cu vârsta erau, în medie, cu aproximativ 4,9 ani mai în vârstă decât cele fără aceasta, o diferență care nu stabilește că variantul influențează îmbătrânirea. Analizele structurale au prezis că regiunea proteică afectată ar putea lega glutathionul ca parte a unui complex de transport. Glutathionul este un antioxidant care protejează celulele împotriva stresului oxidativ.
Aceste descoperiri sugerează că variația genetică microbiană ar putea influența transportul glutathionului în bacteriile intestinale, dar această funcție nu a fost testată experimental.
O caracterizare structurală suplimentară a examinat 3.705 variante missense asociate în 2.141 de proteine. Dintre acestea, 752 de variante se aflau în regiuni structurale potențial importante, inclusiv în zonele de
