Бактерии кишечника чаще обмениваются генами в организмах горожан

Жизнь в индустриальном обществе влияет на состав микробиома кишечника и снижает его биоразнообразие. Причины неизвестны, но предполагают, что это связано с санитарией, процессированной едой, большим количеством родов через кесарево сечение и частым использованием антибиотиков. Бактерии кишечника используют горизонтальный перенос генов, чтобы приспособиться к изменениям в окружающей среде. Однако пока неясно, происходит ли перенос достаточно часто, чтобы повлиять на функционирование микробиома в течение жизни человека. Международная группа ученых проанализировала несколько тысяч изолятов для определения скорости и паттерна горизонтального переноса генов между бактериями кишечника.

Ученые из нескольких стран под руководством Массачусетского технологического института создали коллекцию изолятов Global Microbiome Conservancy (GMbC), которая содержит 4 149 бактерий кишечника от 37 индивидов из 14 индустриальных и неиндустриальных обществ. К этим изолятам прибавили 3 632 бактерии от 11 доноров, проживающих в городе, из коллекции геномов Broad Institute-OpenBiome Microbiome Library. Таким образом, всего проанализировали 7 781 геном бактерий от 48 человек. Доноров разделили на когорты — городскую и сельскую, а также индустриальную и неиндустриальную.

Сначала в геномах разных видов определили большие блоки идентичной на 100% ДНК — больше 500 п.н. (500bp+) или больше 10 килобаз (10kb+). По оценкам в участке размером в 10kb появляется 1 SNP в течение ста лет. Поэтому авторы считают, что горизонтальный перенос участка генома длиной более 10 килобаз без мутаций произошел не ранее ста лет, то есть в течение 2–3 поколений людей, включая период нахождения внутри индивида. У 90% геномов (7 031 из 7 781) и у 53% геномов (4 096 из 7 781) обнаружили хотя бы один случай горизонтального переноса участков 500bp+ и 10kb+, соответственно.

Для уточнения времени проанализировали число перенесенных участков 500bp+ и 10kb+ у бактерий разных видов внутри одного человека и у тех же бактерий от разных людей. Оказалось, что в геномах бактерий одного хозяина таких участков было больше, то есть перенос ДНК чаще происходил между бактериями внутри одного индивида.

В горизонтальный перенос были вовлечены гены устойчивости к антибиотикам, деградации углеводов и вирулентности.

Далее проанализировали 198 геномов пяти видов (Bacteroides fragilis, Bacteroides vulgatus, Bacteroides ovatus, Bifidobacterium longum и Akkermansia muciniphila) из образцов одного человека, взятых в разное время, а также 191 геном Bacteroides fragilis из образцов, взятых у пяти индивидов. Геномы пяти видов приобретали гены с разной скоростью, от десятков до сотен генов в год (238 генов в год у B. vulgatus, 353 у B. ovatus, 161 у B. fragilis, 74 у B. longum и 34 у A. muciniphila). Скорость приобретения генов коррелирует со скоростью потери генов, так что размер протеома практически не меняется. Таким образом, горизонтальный перенос генов между бактериями внутри организма-хозяина происходит достаточно часто, чтобы изменить функционал микробиома на протяжении жизни.

Скорость переноса генов у людей из городских индустриальных регионов была намного выше, чем из сельских неиндустриальных. Вероятно, высокая скорость вызвана частыми изменениями в стиле жизни.

В индустриальном обществе чаще происходит перенос генов, связанных с функционированием плазмид и транспозонов, а в неиндустриальном обществе — с деградацией углеводов. Гены резистентности к антибиотикам участвовали в переносе с одинаковой частотой во всех когортах. Горизонтальный перенос у разных людей внутри когорты обладал индивидуальными чертами. Стиль жизни человека создавал давление отбора на его бактерии, что, в свою очередь, отражалось и на горизонтальном переносе генов.