Эволюция микробиома кишечника и адаптация бактерий к питанию и образу жизни
Учёные всё чаще говорят о том, что микромир внутри человека живёт по своим законам эволюции, и новое исследование в журнале Nature добавляет к этому разговору важную деталь. Авторы работы показали, что бактерии кишечника не просто медленно накапливают изменения, а активно обмениваются полезными генами и быстро подстраиваются под условия жизни хозяина. Для этого они разработали новый метод анализа генетических данных, который позволяет увидеть следы отбора даже там, где раньше всё выглядело как хаос.
Кишечный микробиом человека состоит из сотен видов бактерий, и этот состав не является чем-то застывшим. Он меняется с возрастом, с рационом, с образом жизни и даже может отличаться у разных поколений одной семьи. Ранее уже было доказано, что бактерии в кишечнике способны эволюционировать удивительно быстро: новые мутации могут становиться распространёнными всего за несколько дней или месяцев. И это происходит даже без антибиотиков, которые традиционно считают главным фактором давления на микробиом. Возникает логичный вопрос — как такие изменения не только появляются, но и распространяются между людьми. Один из ключевых механизмов здесь — горизонтальный перенос генов. Проще говоря, бактерии умеют делиться фрагментами своей ДНК, передавая друг другу полезные свойства. Кишечник человека считается настоящей горячей точкой для такого обмена. Именно так, например, распространяются гены устойчивости к антибиотикам. Но до сих пор оставалось неясно, насколько активно этот механизм работает внутри одного вида бактерий и какую роль в этом играет рекомбинация, когда фрагменты ДНК встраиваются в уже существующий геном.
Если у одной бактерии появляется удачная мутация, она может быстро прокатиться волной по популяции. При этом вместе с полезным геном могут распространяться и соседние участки ДНК, которые сами по себе не дают преимуществ, а иногда даже слегка вредны. Такой эффект называют генетическим автостопом. В результате у разных, на первый взгляд не связанных штаммов бактерий появляются одинаковые куски генома. Это создаёт характерный рисунок, когда определённые варианты генов встречаются вместе чаще, чем ожидалось бы случайно. Проблема в том, что у бактерий кишечника генетический обмен происходит настолько активно, что классические методы поиска отбора часто теряются и не могут отличить реальный отбор от случайных эффектов. На ситуацию также влияют демографические факторы, например резкое сокращение численности бактерий, которое само по себе может искажать картину. Поэтому исследователи решили сначала проверить свои идеи на компьютерных моделях, где можно контролировать все параметры.
В этих моделях они показали, что характерный сигнал, связанный с отбором, действительно появляется только тогда, когда положительный отбор достаточно силён. Без него нужного рисунка в данных не возникает, даже если учитывать разные сценарии эволюции. Это важный момент, потому что он позволяет отличить реальные адаптации от статистического шума. В таких условиях даже слегка неблагоприятные мутации могут проехать зайцем вместе с полезными, усиливая заметный генетический след.
После этого учёные перешли к реальным данным и проанализировали геномы кишечных бактерий у почти 700 человек с трёх континентов. Они использовали современные методы обработки метагеномных данных, чтобы выделить доминирующие штаммы бактерий и точно восстановить их генетические варианты. В итоге был собран внушительный массив информации: тысячи гаплотипов десятков видов бактерий. Чтобы избежать искажений, связанных с географией и историей популяций, анализ проводили внутри наиболее однородных групп каждого вида.
Результат оказался довольно наглядным. У большинства изученных видов бактерий сочетания распространённых изменений в белковых генах встречались чаще, чем ожидалось, что указывает на действие положительного отбора. Редкие варианты, напротив, демонстрировали признаки очистительного отбора, когда вредные изменения постепенно устраняются. Это говорит о том, что эволюция в кишечнике идёт постоянно и затрагивает именно те участки генома, которые влияют на функции бактерий.
Кишечные бактерии, по сути, живут в постоянно меняющейся среде и вынуждены адаптироваться быстрее, чем многие многоклеточные организмы.
Чарльз Дарвин
Для поиска таких адаптаций исследователи применили новый показатель, который они назвали интегрированным показателем сцепления. Он оценивает, насколько сильно связаны между собой изменения в геноме и насколько эта связь отличается для белковых и нейтральных участков. Метод проверили сначала на хорошо изученных бактериях, включая возбудителя тяжёлых кишечных инфекций. Он уверенно находил уже известные участки генома, связанные с вирулентностью, и при этом редко давал ложные сигналы. Затем этот подход применили к тридцати двум видам кишечных бактерий человека. Было обнаружено более сотни эпизодов недавнего отбора, затрагивающих сотни генов. Особенно часто под отбором оказывались гены, связанные с расщеплением и транспортом углеводов. Это выглядит логично, если вспомнить, насколько питание человека влияет на состав и функции микробиома.
Отдельный интерес вызвали гены, отвечающие за транспорт продуктов распада крахмала. Они не только часто находились под отбором, но и демонстрировали признаки недавнего горизонтального переноса. Ранее уже высказывалась идея, что индустриализация и изменение образа жизни приводят к снижению разнообразия микробиома и усиливают обмен генами между бактериями. Новые данные хорошо вписываются в эту картину. Когда исследователи сравнили разные человеческие популяции, оказалось, что многие эпизоды отбора характерны только для одной группы людей. Это говорит о локальной адаптации бактерий к конкретным условиям среды и питания. При этом примерно треть таких адаптаций встречалась сразу в нескольких популяциях, особенно часто среди индустриализированных обществ. У них обнаруживались общие генетические изменения, которых почти не было у традиционных сообществ.
Любопытно, что один из участков генома бактерий, связанных с переработкой крахмала, находился под отбором у всех индустриализированных групп и отсутствовал у неиндустриализированных. Это может отражать влияние современного рациона и образа жизни. При этом общее число адаптаций в разных популяциях было сопоставимым, что говорит о том, что скорость эволюции микробиома остаётся высокой вне зависимости от уровня индустриализации.
