Atlasul microbiomului intestinal dezvăluie modul în care bacteriile se stabilizează și se transformă în boala inflamatorie intestinală
Prin urmărirea instrumentelor genetice utilizate de microbi pentru a se stabili și a se menține în intestin, cercetătorii au descoperit strategii ecologice distincte și au explorat modul în care aceste modele se schimbă în boala inflamatorie intestinală.
Un studiu recent publicat în revista Nature Communications a dus la dezvoltarea unui atlas integrat al factorilor de colonizare (CF) din microbiomul intestinal.
Microbiota intestinală umană reprezintă o comunitate ecologică complexă care a coevoluat cu gazda. Studiile experimentale au identificat CF, determinanți genetici care permit microbilor să se stabilească și să persiste în nișele intestinale, în anumite organisme comensale și patogene. Aceste studii au arătat că colonizarea depinde de diverse funcții genetice asociate cu aderența, toleranța la stres, achiziția de nutrienți, adaptarea la nișă și semnalizare.
Un studiu anterior privind asocierea genotip-habitat a identificat peste 27.000 de gene asociate cu colonizarea și le-a organizat în 79 de familii de CF. Deși acest studiu a stabilit un cadru pentru identificarea determinanților genetici ai colonizării, mai multe întrebări rămân fără răspuns. De exemplu, dacă combinațiile de familii CF formează strategii asociate colonizării între liniile microbiene și relevanța repertoriilor CF pentru remodelarea comunității asociate cu boala trebuie să fie încă determinate.
În prezentul studiu, cercetătorii au construit un atlas al CF din microbiomul intestinal. În primul rând, au integrat un set curat de 27.096 de proteine CF de referință cu cataloagele Unified Human Gastrointestinal Genome (UHGG) și Protein (UHGP). Căutările de similaritate a secvențelor au identificat 78.579 de omologi CF în UHGP, care s-au potrivit cu 7.536 de proteine CF de referință din 79 de familii CF. Cartografierea omologilor CF la UHGG a identificat 7,05 milioane de gene CF în 289.022 genomuri din 4.716 specii.
În continuare, echipa a construit o matrice de familii CF la nivel de specie și a agregat-o cu niveluri taxonomice superioare pentru a caracteriza distribuțiile familiilor CF. Firmicutes, Actinobacteriota, Firmicutes_A, Proteobacteria, Firmicutes_C și Fusobacteriota aveau unele dintre cele mai bogate repertorii CF la nivel de filum, fiecare conținând peste 50% din toate familiile CF. În mod remarcabil, șapte familii CF, CF0_0, CF5, CF7, CF11, CF17, CF38 și CF43, au fost găsite în peste 70% din phylum-urile studiate, reflectând o conservare largă.
Mai mult, a existat o heterogenitate marcată în lățimea repertoriilor familiilor CF la niveluri taxonomice mai fine. De exemplu, taxele din filumul Firmicutes_A au arătat cea mai mare lățime. În plus, genurile Blautia_A, Clostridium și Enterocloster au arătat o lățime mai mare a repertoriilor de familii CF decât taxele din multe alte linii. Apoi, echipa a investigat dacă combinațiile de familii CF pot delimita strategiile funcționale legate de colonizare.
Au fost identificate trei clustere distincte de specii microbiene folosind clusteringul pe baza medoidelor (PAM). Familiile CF îmbogățite în clusterul 1 au fost dominate de procese de transport și activități metabolice, susținând o strategie de colonizare orientată spre metabolism. Familiile CF din clusterul 2 au fost asociate funcțional cu percepția mediului, toleranța la stres și homeostazia redox, sugerând o strategie de colonizare centrată pe rezistența la stres.
Familiile CF îmbogățite în clusterul 3 au fost asociate cu percepția de quorum, absorbția carbohidraților și transportul, indicând o strategie mediată prin comunicare. Deși repertoriile CF au arătat o organizare asociată liniilor, această structurare taxonomică și filogenetică nu a fost neobișnuit de puternică în comparație cu fundalurile de familii de proteine corespunzătoare. Apoi, cadrul CF a fost aplicat în cazul bolii inflamatorii intestinale (IBD). În acest sens, au fost curate 2.858 de probe metagenomice fecale umane din 10 cohorte IBD. Folosind cei peste 78.000 de omologi CF identificați anterior ca referință, abundența relativă a omologilor CF a fost cuantificată în probe.
Profilurile de abundență ale familiilor CF au fost dominate de un număr mic de familii CF recurente, familiile CF5 și CF0_0 fiind cele mai abundente, urmate de CF31, CF4 și CF35. Ierarhia acestor familii a fost în general consistentă între subtipurile de boală și cohorte. Disbioza asociată IBD a fost corelată cu scăderi recurente în diversitatea genelor CF, deși aceste scăderi nu au fost universale și nu au fost consistent semnificative statistic, iar magnitudinea și puterea statistică a acestor modificări au variat între subtipurile de boală și cohorte.
Aceste modificări au putut fi cartografiate la funcții specifice asociate cu colonizarea și specii microbiene purtătoare, cu familiile CF biasate IBD fiind legate de liniile purtătoare asociate cu inflamația și familiile CF biasate HC fiind susținute de linii purtătoare legate de comensali mai largi. În plus, cercetătorii au identificat o semnătură de 46 de familii CF asociate cu starea IBD, inclusiv 16 familii îmbogățite HC și 30 de familii îmbogățite IBD. Clasificatorii random forest bazați pe aceste 46 de familii CF și pe toate cele 79 de familii CF au obținut zone comparabile sub curba caracteristicilor de operare (AUROC) de 0.833 și 0.838, sugerând că semnătura de 46 de familii a păstrat capacitatea de discriminare capturată de întregul repertoriu CF. Analizele de comprimare a caracteristicilor au generat un set mai mic de 13 familii CF, care a realizat un AUROC marginal mai mic de 0.824 decât semnăturile de 46 sau 79 de familii CF. Cu toate acestea, modelele taxonomice la nivel de specii și genuri de dimensiuni mai mari au avut performanțe mai bune, indicând că panoul compact CF este mai bine văzut ca o reprezentare interpretabilă a disbiozei asociate IBD decât ca un înlocuitor pentru modelele taxonomice.
Cercetătorii au analizat, de asemenea, 808 probe metatranscriptomice din două cohorte IBD pentru a examina activitatea CF. Expresia familiilor CF a urmărit în general abundența genomică, deși unele familii au fost exprimate mai mult sau mai puțin puternic decât ar prezice abundența lor. Modelele de expresie asociate cu boala au variat între cohorte, sugerând că modificările transcripționale au fost concentrate în familii CF specifice, mai degrabă decât să reflecte o pierdere generală a activității transcripționale CF.
În concluzie, studiul a dezvoltat un atlas integrativ al peste 7,05 milioane de omologi CF din aproximativ 0,29 milioane de genomuri din 4.716 specii din microbiota intestinală umană. Analizele au indicat că repertoriile CF au format o stratificare larg distribuită și asociată liniilor de potențial de colonizare microbiană. De asemenea, constatările au dezvăluit remodelarea selectivă a funcțiilor asociate colonizării specifice și a liniilor purt
