Главная \ 3. Пробиотики \ Микробиом человека

Микробиом человека

МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА

микробиом человека

МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА - НОВАЯ ЭРА В ПОНИМАНИИ МИКРОФЛОРЫ

СОДЕРЖАНИЕ

num-1_color

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОБИОМА ЧЕЛОВЕКА

Бактериальное и микробное "население" человеческого организма отличается исключительно большим разнообразием - число микроорганизмов в организме у разных людей может быть равно числу собственных клеток, а может в десять раз превосходить его, свидетельствуют первые результаты работы международного проекта "Микробиом человека" (Human Microbiome Project - HMP).


Микробиом — собирательное название микроорганизмов, находящихся в симбиозе с организмом хозяина. Также под микробиомом подразумевают совокупность геномов микробных популяций в человеке. Различают микробиом кожи, полости рта, кишечника и т.д.


кишечный микробиомВ данном случае «хозяином» рассматривается человек. Т.е. кишечный микробиом (или микробиота кишечника) — это микроорганизмы, которые обитают в желудочно-кишечном тракте в симбиозе с человеком. Симбиозом (от греческого «symbiosis» - «совместная жизнь») здесь называется такое взаимодействие микроорганизмов с человеком, от которого все партнеры получают пользу, все что-то выигрывают. В широком же смысле симбиоз охватывает все формы тесного сожительства организмов разных видов, включая и паразитизм, который в этом случае называется антагонистическим симбиозом. Следует отметить, что бóльшая часть всего человеческого микробиома населяет пищеварительный тракт (см. микрофлора ЖКТ), и особенно много микроорганизмов сконцентрировано в толстом кишечнике. В связи с этим бесспорным является тот факт, что от состояния кишечного микробиома во многом зависит здоровье самого кишечника

Вместе с понятием «микробиом» существует и понятие «микробиота». По сути, они несут одно и тоже смысловое значение, особенно если к этим терминам добавлена локализация, например, микробиом кишечника или кишечная микробиота. Однако в отдельности (в строго научной среде) термины понимаются по-разному: 

Термин «микробиота» относится к совокупности микробов (бактерий, архей, грибов, вирусов и простейших) в конкретной среде, другими словами, к таксономии и обилию членов сообщества, а «микробиом» - это совокупность геномов микробиоты, и его часто используют для описания сущности микробных признаков (функций), кодируемых микробиотой [Schlaeppi, K.; Bulgarelli, D. The plant microbiome at work. Mol. Plant Microbe Interact.2015, 28, 212–217.]. 

См. подробнее:

Представления о микробиоте человека

 

гастроэнтерологиядерматологотоларинголог

Микробиота используется для характеристи­ки микробиоценоза отдельных органов и систем, генетического материала и взаимосвязей внутри экологической ниши в определенный временной период на определенной территории. Микробиота взаимодействует с остальными органа­ми и системами, определяя функционирование организма в целом как у здорового человека, так и при заболеваниях. 

num-2_color 

Здоровый микробиом человека 

Jason Lloyd-Price, Galeb Abu-Ali & Curtis Huttenhower
The healthy human microbiome
Genome Medicine volume8, Article number: 51 (2016)

Резюме. Люди практически идентичны по своему генетическому составу, однако небольшие различия в нашей ДНК порождают огромное фенотипическое разнообразие во всей человеческой популяции. В отличие от этого, метагеном человеческого микробиома - общее содержание ДНК микробов, населяющих наши тела, - является довольно изменчивым, и только треть составляющих его генов обнаруживается у большинства здоровых людей. Понимание этой изменчивости в «здоровом микробиоме», таким образом, было одной из главных проблем в исследованиях микробиома, начиная по крайней мере с 1960-х годов, продолжающихся в рамках проекта «Микробиом человека» и за его пределами. Каталогизация необходимых и достаточных наборов признаков микробиома, поддерживающих здоровье, и нормальных диапазонов этих признаков в здоровых популяциях является важным первым шагом к выявлению и коррекции микробных конфигураций, которые вовлечены в болезнь. Для достижения этой цели в ряде популяционных исследований были задокументированы диапазоны и разнообразие как таксономических составов, так и функциональных потенциалов, обычно наблюдаемых в микробиомах здоровых популяций, а также возможные движущие факторы, такие как география, диета и образ жизни. Здесь мы рассмотрим несколько появившихся определений «здорового микробиома», современное понимание диапазонов здорового микробного разнообразия и такие пробелы, как характеристика молекулярной функции и разработка экологических методов лечения, которые будут рассмотрены в будущем.

ФОН

Люди эволюционировали вместе с триллионами микробов, населяющих наши тела и создающих сложные, специфичные для среды обитания адаптивные экосистемы, тонко настроенные на неустанно меняющуюся физиологию хозяина. Дисбактериоз в микробиоме был связан с многочисленными заболеваниями, включая воспалительные заболевания кишечника, рассеянный склероз, сахарный диабет (типы 1 и 2), аллергию, астму, аутизм и рак [1-5]. Как и понятие патогенности отдельного микробного таксона, дисбактериоз микробного сообщества может быть трудно поддающимся определению, но может рассматриваться как возмущение, которое отклоняется от сбалансированной в остальном экологии [1], чтобы продлить, усугубить или вызвать вредное воздействие на здоровье. Таким образом, обнаружение признаков, которые в целом отличают здоровые микробиомы от нездоровых, поможет в диагностике заболеваний, связанных с микробиомом, и потенциально может предоставить новые средства для предотвращения возникновения заболевания или улучшения прогноза. Было предложено много потенциальных признаков, общих для здоровых микробиомов, включая преобладающие организмы или молекулярные пути [6], а также нормы определенных экологических свойств, таких как разнообразие или стабильность [7, 8]. Микробиомы регулярно демонстрируют большую степень межличностного разнообразия даже при отсутствии заболевания [7, 9]. Это затрудняет идентификацию простых микробных компонентов или дисбалансов, которые либо вызывают заболевание, либо отражают болезненное состояние. Таким образом, понимание свойств здорового микробиома и множества различных микробных экологий, которые встречаются в отсутствие явного заболевания, является необходимым первым шагом к выявлению и коррекции микробных конфигураций, вовлеченных в болезнь.

В этом обзоре мы используем термин «здоровый» для обозначения отсутствия какого-либо явного заболевания (как определено в [10], если иное не указано для конкретных исследований). Большинство доступных данных описывают микробиом кишечника, и поэтому многие выводы, обсуждаемые здесь, относятся к этой области, хотя большинство принципов применимы к микробным средам обитания по всему организму. Ранние исследования экологии микробиома были направлены на выявление «основного» набора микробных таксонов, повсеместно присутствующих у здоровых людей, у которых отсутствуют явные фенотипы заболеваний, в соответствии с гипотезой, что отсутствие таких микробов будет указывать на дисбактериоз [11]; но исследования экологического разнообразия среди здоровых особей выявили достаточную вариабельность в таксономическом составе микробиома, чтобы быстро сделать такую гипотезу маловероятной [11, 12]. Было обнаружено, что даже общие таксоны, от отдельных видов до целых типов, различаются по численности более чем на порядок среди здоровых особей [7, 11]. Поэтому характеристика «здорового» микробиома как идеального набора специфических микробов уже не является практическим определением [2, 6].

Альтернативной гипотезой является гипотеза о здоровом «функциональном ядре»: дополнении метаболических и других молекулярных функций, которые выполняются микробиомом в пределах определенной среды обитания, но не обязательно обеспечиваются одними и теми же организмами у разных людей [6]. Такое ядро, возможно, должно присутствовать как генетический потенциал (то есть закодированный в ДНК-метагеномах), так же как человеческий геном не должен кодировать серьезные вредные мутации, чтобы быть здоровым,  или оно должно быть выражено и хорошо отрегулировано внутри индивида, чтобы он оставался здоровым (то есть оно должно быть закодировано метатранскриптомами РНК или присутствовать в виде белковых или мелкомолекулярных продуктов, или, конечно, их комбинации). Функциональное ядро должно, конечно, включать в себя, по крайней мере, хозяйственные функции, необходимые для индивидуальной микробной жизни, которые должны присутствовать геномно и быть правильно выражены; интересно, что эти свойства могут также включать функции, характерные для микробных ниш в человеческой экосистеме. Такие функции могут включать в себя процессы, которые не осуществляются человеческими клетками и, таким образом, представляют собой потенциальную основу для симбиотических отношений хозяина и микроба. Здоровый микробиом может быть дополнительно охарактеризован его поведением с течением времени [2, 8]; интуитивно, связанный со здоровьем микробиом должен обладать определенной степенью устойчивости к внешним (например, диетическим или фармацевтическим) или внутренним (например, возрастным или стохастическим) изменениям. Даже если та или иная структура сообщества обеспечивала все необходимые основные функции, без этой устойчивости она не могла бы гарантировать выполнение этих функций в течение длительного времени. Таким образом, устойчивость микробиома к стрессам и возмущениям и его способность впоследствии восстанавливаться до здорового функционального профиля относятся к числу потенциальных свойств, характеризующих здоровый микробиом [2, 13].

Здесь мы рассматриваем текущую характеристику здорового микробиома с точки зрения нормальных микробных резидентов и их основных функций, экологических свойств и временной динамики. В заключение мы определяем ключевые нерешенные вопросы и направления исследований в этой области и размышляем об их решениях и влиянии. Сочетание последних технологических достижений и деятельности в этой области вызвало всплеск интереса к человеческому микробиому в области здоровья и болезней (Таблица 1), и поэтому настоящий обзор направлен на обобщение различных современных перспектив того, что может представлять собой здоровый микробиом.

Таблица 1. Разнообразие последних исследований микробиома, которые были сосредоточены в основном на кишечнике

Условия
Публикации
Все
2011–2016
Пищеварительный тракт | толстая кишка | кишечник
17,546
10,707
Оральный | рот | язык | зуб | поддесневой | наддесневой
4843
2089
Урогенитальный | вагинальный | половой
1477
706
Кожа | кожный покров
1372
754
Дыхательные пути | легкие
764
524
Плацента | грудное молоко
702
426
Зрительный | глаз
152
82

Количество результатов, полученных в результате поиска по запросу (микробиом | микробиота | микрофлора) (<термины>) на PubMed (получено 31 марта 2016 г)

Наше эволюционирующее понимание здорового микробиома

Микробиом

Ранние исследования были направлены на выявление нормального набора микробов, которые колонизируют здоровых людей, прежде всего в кишечнике, по культуре и характеристике физиологических свойств. Такие исследования лучше всего выделяют организмы, которые хорошо растут в лабораторных условиях, такие как Escherichia coli. Это смещение привело к восприятию того, что кишечная палочка является обильным и распространенным членом кишечного микробиома человека [14]. Внедрение строго анаэробных методов в 1970-х годах позволило извлечь из кишечника более 300 видов бактерий [15]; кроме того, подсчет жизнеспособных клеток в стандартизированных серийных разведениях в селективных средах позволил количественно оценить эти виды. Краткое изложение четырех крупных исследований этой эпохи [12], изучив образцы стула 141 американца на разных диетах, обнаружило, что бактерии рода Bacteroides и анаэробные кокки были как преобладающими, так и обильными, в то время как род Clostridium был повсеместным в более низком обилии, хотя и не существовало единого вида (как потом определили) наблюдаемого у всех испытуемых. Другие распространенные, но менее обильные бактерии включали представителей родов Bifidobacterium, Eubacterium, Lactobacillus и Streptococcus, а также факультативные анаэробы, такие как Escherichia.

В то время уже предполагалось, что большое количество видов микроорганизмов, связанных с человеком, так и не было обнаружено, причем одно исследование оценило одновременное присутствие около 400 видов микроорганизмов в здоровой толстой кишке [16, 17]. Тем не менее, привередливые требования некоторых микробов и трудоемкая работа, необходимая для их культивирования, представляли собой значительный барьер для их открытия [12]. Кроме того, не все микробы могут быть хорошо различимы как виды или штаммы путем культивирования только на селективных средах; например, особенно трудно распутать различные высокообильные виды Bacteroides [12, 17]. Кроме того, такие исследования состава сообществ были еще более трудны для распространения на небактериальные микробы, такие как вирусы и грибы, и были еще более непрактичны для изучения местообитаний тела, которые менее богаты микробами, чем кишечник. Для изучения этих аспектов здорового микробиома требовались новые методы.

В настоящее время широкое распространение получили культурально-независимые методы, такие как секвенирование ДНК [18] и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH) [19], а их демократизация позволила непосредственно исследовать содержание ДНК в микробных образцах [20]. Ранние исследования с использованием FISH, нацеленных на ген 16S рибосомальной РНК, показали, что по меньшей мере две трети кишечных бактерий в западноевропейской когорте могут быть отнесены к набору из шести групп примерно на уровне вида/рода: два Bacteroides, два Clostridium, Streptococcus/Lactococcus и Eubacterium rectale [19]. С тех пор это оказалось оптимистичным, и даже в то время наблюдалась большая вариабельность в содержании этих групп между выборками (стандартные отклонения ~60-80% от их средних значений) [19].

Некоторые из ранних попыток секвенировать гены 16S рРНК непосредственно из образцов показали, что 85–95% бактериальной численности, соответствующей известным видам, можно отнести к трем бактериальным группам, связанным с Bacteroides, Clostridium кластера XIVa и Clostridium кластера IV [21, 22]. Исследования 16S также показали большое разнообразие в таксономическом составе как между здоровыми людьми, так и среди тесно связанных биогеографических участков в пределах одного человека (таких как образцы слизистой оболочки и кала [23]). Однако во всех этих исследованиях большинство (75–80%) кластеров последовательностей не соответствовало ни одному из документированных видов в то время [21–23], что во многом объясняет недооценку разнообразия в предыдущих работах.

Появление массового параллельного секвенирования методом дробовика (технологии высокопроизводительного секвенирования) существенно изменило таксономический состав этой микробной «темной материи» [24], хотя еще предстоит охарактеризовать поразительный процент функционального разнообразия (до 50 % [25]), как и состав некондиционных популяций (обсуждаемый ниже). Первоначальные находки перекликались с большими межличностными различиями даже между близнецами [26], но также подразумевали существование набора микробных генов, общих для всех индивидов [26, 27]. Это помогло создать модель, согласно которой, подобно сохраненным хозяйственным генам в отдельных организмах, «основной микробиом» может быть определен на функциональном, а не на таксономическом уровне [26, 27].

Базовые когорты в масштабе популяции

МЕТАГЕНОМИКА

С тех пор были начаты крупномасштабные проекты по характеристике разнообразия микробного состава и его функционального потенциала, опираясь на все еще увеличивающуюся пропускную способность и экономическую эффективность секвенирования и других молекулярных анализов. В 2010 году исследование метагеномов кишечного тракта человека (MetaHIT) сообщило о метагеномах кишечника из образцов кала из когорты 124 взрослых европейцев (преимущественно «здоровых»), которые в то время превышали объем секвенирования всех предыдущих исследований микробиома почти в 200 раз [9]. В 2012 году проект Human Microbiome Project (HMP) сообщил о результатах профилирования 16S на 242 здоровых взрослых людях из США и метагеномного секвенирования на подмножестве из 139 индивидов, причем образцы представляли собой 18 местообитаний тела, распределенных между пятью основными областями тела [7]. Крупное китайское исследование диабета 2-го типа вскоре дало дополнительные 145 кишечных метагеномов, примерно половина из которых были получены из недиабетического контроля [28]. Кроме того, консорциум MetaHIT с тех пор продолжает публиковать новые данные кишечных метагеномов от взрослых европейцев [29-31]. В целом, число популяционных здоровых микробиомов, обследованных в кишечнике и других участках тела, в настоящее время превышает 2000 индивидов, охватывающих несколько континентов.

Типичные компоненты и разнообразие микробиома

 бактерии микробиоты

Бактериальные компоненты здорового микробиома

Экосистема толстой кишки была наиболее интенсивно изученной средой обитания организма (табл. 1), поскольку она может похвастаться замечательным разнообразием между людьми и микробной биомассой (количеством клеток), которая затмевает другие участки тела более чем на порядок [32]. В сочетании с ранним появлением секвенирования генов 16S рРНК и методов анаэробного культивирования эти свойства кишечника привели к тому, что в литературе особое внимание уделяется бактериальным резидентам кишечного микробиома. В настоящее время было охарактеризовано более 1000 видов кишечных бактерий [15], что обеспечивает значительный «список частей» бактериальных компонентов. Интересно, что молекулярная филогенетика привела к реклассификации многих из этих видов за последние 20 лет. Особый интерес представляют виды внутри Bacteroides, ранее считавшимся наиболее распространенным и обильным бактериальным родом в кишечнике, который был реклассифицирован в пять родов: Alistipes, Prevotella, Paraprevotella, Parabacteroides и Odoribacter, при этом дополнительная культуральная и культурально-независимая молекулярная работа продолжается [15]. По оценкам, в кишечных микробиомах когорты MetaHIT преобладали 1000-1150 видов бактерий, из которых каждый человек нес в среднем около 160 видов [9]. В здоровых микробиомах кишечника, оцениваемых с помощью секвенирования, последовательно доминируют бактерии двух типов - Bacteroidetes и Firmicutes [7, 9], хотя даже при рассмотрении этого широкого уровня классификации отдельные особи различаются более чем на порядок в своих соотношениях Firmicutes / Bacteroidetes [7]. Распространенные бактерии в фекалиях, которые были идентифицированы с помощью молекулярных методов, расширили вышеприведенные списки, включив в них бактерии по меньшей мере из восьми семейств (рис. 1А).

Возможные определения здорового микробиома: состав, функция, динамика и экология


Рис.1. Возможные определения здорового микробиома: состав, функция, динамика и экология. А) Ранние определения «здорового» микробиома обычно фокусировались на наборах таксонов, которые, как можно было бы ожидать, будут преобладать у здоровых людей. В то время как чисто таксономические ядра любого типа остаются неуловимыми даже в относительно узко определенных популяциях, каждая среда обитания в теле обладает сильным филогенетическим обогащением. Здесь показаны типичные роды (или семейства в кишечнике) в здоровых популяциях на разных участках [7, 9, 15, 33-35]. В) Метагеномные измерения позволили оценить функциональный потенциал микробиома на различных участках. Эти исследования позволили получить более последовательно разделяемые функциональные ядра общечеловеческих и нишевых путей, которые поддерживаются в здоровом состоянии [6, 7, 9, 98]. LPS - Липополисахарид, PAMP - патоген-ассоциированный молекулярный паттерн. С) Экологические модели сборки обеспечивают еще одно возможное определение здорового микробиома, поскольку каждый хозяин может черпать из «типичной» метапопуляции потенциальные микробы через смесь частично стохастических процессов. Эти процессы могут включать порядок, в котором микробы колонизируют свою соответствующую человеческую среду обитания (например, под влиянием географии и раннего воздействия), длительное наличие каждого микроба в местной среде обитания хозяина и отбор хозяина (с помощью диеты или генетики - адаптировано из рис. 1 [101]). D) Здоровый микробиом также может быть охарактеризован с точки зрения его динамики, изображенной здесь в упрощенной модели как концептуальный энергетический ландшафт. Младенческий микробиом (желтая точка) начинается в нестабильном состоянии и постепенно спускается к одному из нескольких потенциально здоровых состояний аттрактора взрослого человека. Возмущениям микробиома (пунктирные красные стрелки) можно либо противостоять (зеленая точка), либо вывести микробиом из здорового состояния, после чего устойчивый микробиом вернется в здоровое состояние (не обязательно исходное здоровое состояние) или впадет в нездоровое состояние (красная точка).

Хотя они менее изучены, чем кишечник, многие другие среды обитания в здоровых людях заняты микробными сообществами [7]. Состав сообществ более сходен внутри местообитаний, чем между ними (например, оральные сообщества имеют большее сходство с оральными сообществами у других людей, чем с другими местообитаниями у одного и того же человека), хотя, в свою очередь, межиндивидуальные различия внутри местообитаний гораздо больше, чем внутри-индивидуальная изменчивость во времени [7]. Оральные участки содержат особенно разнообразные микробиомы [33], сходные по сложности с микробиомом кишечника [7], и, как правило, там доминируют Streptococcus spp. [7]. Участки кожи различаются в основном местными свойствами кожи (сухая, влажная и сальная [34]) и колонизируются преимущественно Коринебактериями (Corynebacterium), кожными Пропионибактериями (Propionibacterium) и Стафилококками (Staphylococcus) [34]. Здоровое влагалище содержит одну из наиболее удивительно структурированных микробных экосистем, по крайней мере, с пятью воспроизводимыми типами сообществ или «типами состояний сообществ», в каждом из которых преобладает один вид Lactobacillus (L. crispatus, L. iners, L. jensenii или L. gasseri) или смесью других микробов, включая Gardnerella [35, 36]. Значимые детерминанты типа состояния сообщества женщины включают расу / этническую принадлежность [35, 37] и беременность [37], хотя даже в этой структурированной экосистеме внутри субъекта лонгитюдные вариации существенны и на сегодняшний день не имеют полностью объясненных причин.

Несколько значительных местообитаний тела, как правило, имеют особенно низкую микробную биомассу у здоровых людей и поэтому их труднее охарактеризовать. Легкое, например, почти стерильно при отсутствии инфекции или хронического заболевания, что приводит к большому интересу к выявлению его нормальных обитателей, но также и к существенным техническим проблемам при отборе проб и секвенировании участка [38-40]. Точно так же грудное молоко [41] и плацента [42] представляют интерес для раннего установления как здорового микробиома, так и потенциальных циркулирующих микробиомов крови [43] или тканей [44, 45] для нормального иммунного контроля оппортунистов. Существуют значительные трудности в получении метагеномов из таких сред, и поэтому большинство исследований опираются на обследования чувствительных к загрязнению ампликонов [46] и относительно низкопроизводительные одноэлементные методы, такие как FISH или микрофлюидика. Таким образом, необходимы более масштабные, тщательно контролируемые исследования, чтобы установить функциональность этих сложных микробных мест обитания с низкой плотностью.

Археи, вирусы, грибы и другие эукариоты

Изучение здорового микробиома было значительно обогащено для бактерий [7, 9], при этом меньшее внимание уделялось другим микробным доменам. Однако человеческий микробиом широко охватывает древо жизни и, таким образом, включает археи, вирусы и эукариоты (например, дрожжи). В микробиоме здорового человека, прежде всего в кишечнике, было обнаружено небольшое количество архейских родов. Виды рода Methanobrevibacter являются наиболее распространенными [47] в кишечнике, при этом их статус как «здоровых» членов сообществ других участков тела остается несколько неясным [48]. В частности, было обнаружено, что Methanobrevibacter smithii хорошо адаптируется к кишечнику человека, оптимизируя переваривание пищевых полисахаридов другими микробами [49] и адаптируя экспрессию своих генов в присутствии обычных кишечных бактерий, таких как Bacteroides thetaiotaomicron [49]. Человеческий виром особенно обширен и, хотя и недостаточно охарактеризован, признан неотъемлемой частью здоровой экосистемы человека [50]. При гипервариабельной природе вирусов каждый человек, как ожидается, будет иметь уникальный Виром [51, 52], состоящий в основном из бактериофагов [50] (по оценкам, 5% генного комплемента кишечных бактерий кодирует профаговые белки [9]). Фаги также обеспечивают дополнительное средство горизонтального переноса генов среди других отдаленно родственных бактерий [53]. Поскольку методы молекулярного профилирования для архей, вирусов и эукариот все еще менее развиты, чем для бактерий (даже те, которые используют культурально-независимые подходы [47, 54]), информация о молекулярной функциональности этих организмов в сообществах in situ остается ограниченной.

Хотя наиболее известные эукариотические микроорганизмы, обнаруженные в организме человека или на его поверхности (главным образом грибы и протисты), как правило, являются патогенами, важно помнить, что многие такие эукариоты, в частности Кандида (Candida), Малассезия (Malassezia) и Сахаромицеты (Saccharomyces), широко распространены даже в здоровых популяциях [55-58]. Взаимодействия между царствами несут ответственность по крайней мере за часть экологического и иммунного баланса здорового микробиома; например, существует очевидная конкуренция между бактериями и грибами в биохимических средах кожи [59] или в контроле лактобацилл над грибами в кишечнике [55] и влагалище [60]. Хотя существует мало примеров, были обнаружены прямые мутуалистические отношения между людьми и грибами, из которых наиболее характерными являются дрожжи Saccharomyces boulardii, первоначально выделенные для борьбы с холерой [61]. Некоторые простейшие являются даже обычными обитателями здоровых микробиомов [58, 62], хотя (как и вирусы) с еще большей межличностной изменчивостью, чем бактерии [58]. Кроме того, наличие некоторых простейших, таких как Blastocystis, было связано со снижением риска развития желудочно-кишечных заболеваний [63]. Наконец, хотя многоклеточные эукариоты, такие как гельминты, как правило, были исключены из микробиома кишечника в западных культурах, они были компонентом микробиома кишечника на протяжении значительной части нашей недавней эволюционной истории [64]. Учитывая их мощные иммуномодулирующие возможности и взаимодействие с другими обитателями нормального микробиома кишечника (такими как лактобациллы [65]), их элиминация, возможно, удалила важного воспитателя нашей иммунной системы [64].

Географическая изменчивость в здоровом микробиоме

Исследования, сопоставляющие микробиомы кишечника из разных стран, выявили систематические различия в микробном составе, хотя по-прежнему трудно отделить межпопуляционные технические эффекты от межпопуляционной биологии. Сравнение между крупнейшими когортами из трех континентов - MetaHIT (европейская), HMP (американская) и китайская диабетическая когорта (Chinese diabetes cohorts) - показало, что межстрановые (географические) различия в таксономическом составе значительно превышали межличностные различия, что объясняется не только техническими различиями в экспериментальных методологиях [29]. Тем не менее, небольшие международные исследования также определили географию как один из основных источников крупномасштабных изменений в микробиоме, в том числе между Северной и Южной Америкой [66], Европой и Африкой [67], Кореей и Японией [68], а также между сельским и городским населением России [69] и Китая [70]. Среди возможных движущих сил этой вариации в качестве важного фактора была предложена диета [67], наряду с другими факторами, включая географию, воздействие на ранних этапах жизни и генетику [29, 71]. Ни одно исследование до сих пор не показало, что какой-либо из этих факторов является причинным в больших наблюдаемых межпопуляционных различиях в здоровых микробиомах [72].

Географические различия на уровне штаммов также представляют интерес, особенно в связи с тем, что сигнатуры штаммов проявляют большую временную стабильность, чем профили микробного изобилия [8, 73, 74]. Исследования в этой области носят предварительный характер, но показывают, что различия между штаммами не особенно выражены между странами или континентами. Такие виды, как Bacteroides coprocola и Prevotella copri, демонстрируют наибольшие различия [73] и варианты на уровне штаммов в генах устойчивости к антибиотикам, охватывающих популяции [75]. Микробиологическая экспертиза на уровне штаммов высоко наследуемых видов, таких как Helicobacter pylori, была удивительно проницательной в отслеживании исторических эффектов на микробиом [76, 77], и в будущем для тщательных крупномасштабных популяционных обследований следует использовать культурально-независимые методы.

Установление микробиома и ранняя колонизация

Установление микробиома и ранняя колонизация

Факторы, влияющие на динамику микробиома в раннем возрасте, являются важными преципитаторами здорового микробиома. Интродукция и персистенция микроорганизмов - это полустохастический процесс, на который влияют многие элементы (Рис.1 С), давая здоровую взрослую конфигурацию только после первых нескольких лет жизни [66, 78-80]. Обогащение микробиома кишечника ребенка такими симбионтами, как Bacteroides, Parabacteroides, Clostridium, Lactobacillus, Bifidobacterium и Faecalibacterium prausnitzii, обеспечивает несколько детерминант здорового микробиома. Как только они установлены, они являются основными продуцентами короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs), важного источника энергии из неперевариваемых углеводов [81]. SCFAs являются иммуномодулирующими [82], подавляют распространенные патогены, и, предположительно, обладают опухоль-супрессорными свойствами [83, 84]. Микробиом кишечника является неотъемлемым требованием для образования иммунной системы, и обеспечение образования полезных микробных родов в раннем возрасте способствует иммунной толерантности и, следовательно, может ослабить или отменить аутоиммунные заболевания [1, 85-89].

Способ родоразрешения может влиять на формирование микробиоты в раннем возрасте, так что кесарево сечение связано с обогащением у оппортунистов, включая Haemophilus spp., Enterobacter cancerogenus / E. hormaechei, Veillonella dispar / V. parvula [78] и Staphylococcus [80]. Эти микробы продолжают сохраняться, по крайней мере, в течение первого года жизни [78] и, возможно, способствуют бремени инфекций у детей. Диета также оказывает сильное селективное давление на микробиом [71, 90], и грудное вскармливание (как первая диета) благоприятствует определенным микробным группам из числа исходной микробиоты, которые могут собираться случайным образом. Например, олигосахариды человеческого молока (HMO) могут быть использованы в качестве единственного источника углерода лишь несколькими видами Bifidobacterium и Bacteroides [91], и, более того, недавно было показано, что олигосахариды коровьего молока (BMO) способствуют росту и метаболизму в микробиото-зависимом порядке в моделях младенцев на животных [92]. Хотя эти модели не могут быть непосредственно применены к человеческим младенцам из-за уникального структурного разнообразия, сложности и высокой концентрации HMO [93, 94], они дают дополнительную поддержку выводу о том, что долгосрочные преимущества грудного вскармливания [95] частично опосредованы микробиомом.

Отличительные признаки здоровья

Функциональное ядро

В то время как большие межличностные различия наблюдаются в таксономическом составе микробиома на всех участках, обилие метаболических путей значительно более устойчиво у людей для данных участков [7, 9, 26, 27]. Кроме того, хотя состав микробиома резко меняется в течение первых лет жизни, этот функциональный профиль устанавливается на ранней стадии и после этого остается стабильным, по крайней мере, в кишечнике [72]. Это говорит о том, что одно определение «основного» здорового микробиома может включать комбинации специфических семейств микробных генов, метаболические модули и регуляторные пути, которые вместе способствуют устойчивой экологии, связанной с хозяином [96, 97]. В это ядро ​​входят функции как минимум из трех групп: во-первых и, самое простое, вспомогательные функции, необходимые для всей микробной жизни, такие как транскрипция и трансляция, производство энергии и структурные компоненты [6, 7, 9]. Во-вторых, это ядро ​​включает процессы, специфичные для связанных с человеком микробиомов в местах обитания на участках тела, такие как адгезия к поверхностям клеток-хозяев и производство соединений, участвующих во взаимодействии хозяина-микроба (включая необходимые витамины, такие как витамин К, и иммуностимуляторные соединения) [6, 7]. Наконец, разные среды обитания тела имеют свои специализированные основные функции [98]. Например, в кишечнике основные функции включают биодеградацию гликозаминогликана, выработку короткоцепочечных жирных кислот, обогащение специфическими липополисахаридами и выработку витаминов и незаменимых аминокислот [6, 9, 98, 99] (рис. 1 b). Какая из этих функций, как правило, обогащается в данной популяции, может зависеть от долгосрочного избирательного давления, такого как диета [67]. Поэтому необходимым условием для здорового микробиома является наличие множества видов микроорганизмов, которые могут выполнять определенные наборы биомолекулярных функций в каждой из специфических для ниши биохимических сред в организме.

Здоровая экология микробного сообщества

Если микробные сообщества собираются на основе их охвата основным набором функций при отборе из большой метапопуляции потенциальных колонизаторов, то они, вероятно, будут экологически разнообразны [100-102], как с точки зрения богатства (количество присутствующих таксонов), так и с точки зрения равномерности (обилие многих микробных составляющих). Высокое разнообразие обычно ассоциируется со здоровьем [11] и временной стабильностью [103]. Последнее может, например, быть результатом повышенной функциональной избыточности, которая приходит с более разнообразным набором микробов, даже если функциональный потенциал сборки минимально достижим с меньшим количеством таксонов. И наоборот, относительное отсутствие разнообразия проявляется в микробиоме кишечника при заболеваниях, варьирующих от ожирения [26] до воспалительных заболеваний кишечника [104] и диабета 1-го типа [72] и 2-го типа [28]; а также в микробиоме кожи при атопическом дерматите [105] и псориазе [106]. Антибиотики также вызывают резкое снижение разнообразия микробиома с сильно изменяющейся динамикой восстановления [107], потенциально ослабляя способность сообщества исключать патогенные микроорганизмы. Это может расчистить путь для заражения патобионтами - нормальными членами микробного сообщества, которые становятся вредными при возмущении, такими как Candida albicans [57]. Принцип, согласно которому большое разнообразие является «здоровым», не распространяется на все участки тела, так как разнообразие во влагалищном микробиоме может быть связано с бактериальным вагинозом [108], интраэпителиальной неоплазией шейки матки [109] (аномальный рост шейки матки), преждевременными родами [36] и воспалением [110].

Учитывая типичное наблюдение увеличения разнообразия микробиомов в состоянии здоровья, было выдвинуто предположение [111], что последовательное снижение микробного разнообразия кишечника в развитых странах может объяснять более высокие показатели хронических заболеваний по сравнению с теми, которые наблюдаются в развивающихся странах и примитивных обществах [66, 112, 113], что получило название «гипотеза исчезающего микробиома» [111]. Эта потеря разнообразия может быть связана с диетой с высоким содержанием жиров, рафинированного сахара и низким содержанием клетчатки [114]. Гуманизированные мыши на такой диете демонстрируют истощение микробного разнообразия [114], и хотя это можно восстановить, вернувшись к диете с высоким содержанием клетчатки в течение одного поколения, оно (истощение) становится фиксированным после четырех поколений [114]. Если этот результат обобщается на человеческие популяции, то это повышает актуальность разработки рационально направленных методов поддержания и лечения микробиома, с тем чтобы направить менее здоровые микробиомы в сторону более естественных сообществ. Гипотеза об исчезающем микробиоме в некотором смысле представляет собой эволюцию гипотез «гигиены» или «старых друзей» [115], все из которых предполагают, что в то время как современные североамериканские или европейские когорты могут представлять «здоровые» микробиомы, их отношение к тому, что эволюционно «нормально», может быть более сложным.

Сопротивление, устойчивость и стабильность

Другими отличительными признаками здоровья с точки зрения микробной экологии являются способность противостоять возмущению (которое может возникнуть в результате проникновения патогена, изменения рациона питания или приема лекарств) и впоследствии вернуться к здоровому состоянию. Эти свойства были названы сопротивлением и устойчивостью соответственно [2]. Например, после лечения антибиотиками здоровые кишечные сообщества обычно восстанавливаются до своего прежнего состояния через несколько недель-месяцев [116]. Таким образом, недавнее определение микробного здоровья явно включает в себя не одно статическое состояние, а скорее динамическое равновесие [2]. С этой точки зрения здоровый микробиом соответствует аттрактору лежащей в его основе динамической системы (рис. 1 d), по аналогии с судьбой клеток в многоклеточных животных [117]. Аттракторы захватывают как сопротивление, так и устойчивость, в том смысле, что система будет сопротивляться отходу от аттрактора, и если флуктуация (которая может быть вызвана внешним возмущением или внутренней стохастичностью) достаточно велика, она будет стремиться вернуться в область устойчивого состояния [117]. Наиболее заметными примерами в микробиоме человека могут быть переходы между типами состояния сообщества в здоровом влагалище; хотя их конкретные последствия для здоровья еще не перечислены, не все типы состояния сообщества имеют одинаковую степень стабильности [36]. Кишечный микробиом также находится в постоянном движении, приобретая и теряя виды с течением времени, причем различные таксоны имеют разную стабильность и некоторые из них последовательно остаются в кишечнике в течение многих лет [8]. Механизмы, с помощью которых сохраняются конкретные таксоны, еще не вполне четко определены, но интересно предположить, могут ли такие механизмы иметь отношение к движущим принципам сборки микробиома. Если конкретные сообщества собираются в основном для заполнения набора подходящих для среды обитания функциональных ниш [6], то виды, которые обеспечивают ключевые метаболические, сигнальные, иммуномодулирующие или другие роли в конкретном собрании, могут быть более устойчивыми во времени, чем те, которые находятся на функциональной периферии. Таким образом, связь динамики с таксономическим разнообразием и огромным молекулярно-функциональным потенциалом микробиома является напоминанием о сложности микробиома человека и, как следствие, о трудностях определения даже кажущейся простой концепции микробного здоровья.

Прогноз

Эпоха эпидемиологии целых микробиомов в масштабах всего населения началась совсем недавно, когда HMP [7, 118] и MetaHIT [9, 29] были в числе первых крупных когорт, включивших широкие справочные данные в области здравоохранения, и вскоре появятся еще несколько когорт. На сегодняшний день преобладают данные кросс-секционных исследований западных популяций на основе ампликона, все из которых являются эффективными и доступными, но которые еще не дают последовательной, всеобъемлющей картины глобального, динамичного, здорового микробиома. Крупномасштабная эпидемиология в других областях человеческого здоровья, таких как питание и образ жизни, создала прочную основу для перспективных, длительных когорт, кропотливых анализов и тщательно проверенных инструментов измерения [119-121], все из которых представляют собой особенно перспективные направления исследования микробиома. Вложенные исследования продольных данных микробиомов в существующих когортах имеют то преимущество, что они используют долгосрочную собранную информацию о образе жизни, рационе питания, медицинскую информацию и фенотип, а также интеграцию с накопленными биопробами. Примером нетрадиционного крупномасштабного исследования, отличающегося своей инфраструктурой и охватом, является американский проект American Gut project: краудфандинговый источник справочных данных по микробиому в сочетании с тематическими экологическими метаданными. Перспективные исследования с детальными молекулярными данными, хотя и более дорогостоящие и сложные с точки зрения логистики, также будут необходимы для облегчения прогностических моделей и установления причинно-следственной связи дисбиозов. Текущий проект «HMP2» или Интегративный проект микробиома человека (iHMP) [122] включает в себя три таких продольных исследования, которые предоставляют мульти-омические данные для здоровья и хронических заболеваний, а также протоколы и вычислительные инструменты в качестве основы для будущей работы.

В то время как многие современные исследования микробиома сосредоточены на болезнях, более глубокое понимание здорового микробиома само по себе поможет разработать новые методы диагностики и терапии микробного сообщества [123]. В той мере, в какой можно определить универсальные признаки здорового микробиома, их отсутствие может быть предиктором возникновения заболевания в целом, так же как и наличие признаков, характерных для дисбактериоза какого-либо одного состояния (особенно полезно, если это происходит до начала заболевания). С другой стороны, персонализированная медицина и лонгитюдный мониторинг могут служить той же цели в отношении отклонения от собственного «здорового» состояния индивида [1, 104]. С терапевтической точки зрения, поскольку целенаправленные вмешательства разрабатываются для манипулирования микробиомом, лечение дисбактериоза не направлено для возвращения в исходное состояние, из которого человек вышел (из-за возмущения, такого как лечение антибиотиками или вторжение патогена), а, по возможности, только в здоровое состояние (рис. 1d). Точно так же, даже если микробный дисбактериоз окажется скорее ответным, чем причинным в любом конкретном болезненном состоянии, возвращение к «здоровому» состоянию все равно может принести терапевтическую пользу [73, 101, 124].

Один из самых больших выдающихся пробелов в понимании основной биологии «здорового» микробиома, возможно, находится на уровне аннотирования его молекулярной функции: до 50% семейств микробных генов, встречающихся в человеческом микробиоме, остаются функционально нехарактерными даже в хорошо изученных средах, таких как кишечник [9, 25, 29]. Это в определенной степени справедливо и для отдельных геномов микробных изолятов, где даже хорошо изученная E. coli K12 содержит около 18% генных продуктов без какой-либо заявленной функции [125], причем значительно больше на уровне пангенома видов E. coli [126]. Вполне вероятно, например, что некоторые из этих генов ответственны за взаимодействие микроба с микробом или хозяина с микробом и, таким образом, будут экспрессироваться или характеризоваться только в условиях сообщества. Популяционные исследования микробиома сами по себе могут быть использованы для частичного смягчения этой ситуации, в том смысле, что микробные семейства генов, которые широко распространены и многочисленны, но еще недостаточно хорошо изучены, могут быть приоритетными для характеристики. Кроме того, микробные сообщества обеспечивают новый источник информации о виновности по ассоциации, который может быть использован вычислительно для получения прогнозов функции генов [127, 128]. Тем не менее, возвращение к микробиологическим корням в конечном итоге может оказаться наиболее важным в этой области: лучшие биохимические характеристики все еще основаны на физиологии культуры, микробном метаболизме, совместном культивировании и взаимодействиях, а также на контролируемой лабораторной среде в сочетании с высокопроизводительными молекулярными анализами [15, 129, 130].

Исследования микробиома, как в области здоровья, так и в области болезней, должны и впредь обеспечивать интеграцию эпидемиологии популяционного масштаба с узкими, но глубокими клиническими исследованиями в контексте персонализированной медицины. В обоих случаях исследования микробиома всего организма можно рассматривать как расширение микробных методов, уже используемых для наблюдения за инфекционными заболеваниями [131]: вместо того чтобы ждать, чтобы контролировать вспышку патогена в популяции или его персистентность в пределах отдельного человека, наше полное микробное сообщество можно было бы контролировать для поддержания здоровья или ухода в болезни. Это в равной степени относится и к интеграции активности микробиома с иммунным, транскрипционным, эпигенетическим и клиническим состоянием хозяина: точная медицина микробного сообщества должна опираться на взаимодействие хозяина и микробиома в качестве ключевого компонента. Это поможет быстро выявить потенциальные патогенные микроорганизмы [132] и позволит определить «правильные» меры вмешательства для восстановления здоровья после дисбактериоза, начиная от изменения рациона питания или образа жизни через пробиотики и заканчивая микробно-целевыми фармацевтическими препаратами [133]. Таким образом, более глубокое понимание здорового микробиома должно подходить к нему как к одному из аспектов глубоко контролируемого персонализированного здоровья (например, [121]) и должно интегрировать популяционную оценку микробного сообщества с хорошо охарактеризованным молекулярным пониманием и анализом того, как благоприятные состояния микробного сообщества поддерживаются в масштабах всего организма и на протяжении всей жизни.


num-3_color

О структуре микробиома здорового человека

HMP (The Human Microbiome Project)
По материалам Консорциума HMP (The Human Microbiome Project Consortium). Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature. 2012; 486: 207–14)

Исследования микробиома человека показали, что даже здоровые люди заметно отличаются по микробам, которые занимают такие места обитания, как кишечник, кожа и влагалище. Большая часть этого разнообразия остается необъяснимой, хотя причастны диета, окружающая среда, генетика хозяина и раннее воздействие микробов. Соответственно, чтобы охарактеризовать экологию микробных сообществ, связанных с человеком, проект «Микробиом человека» или HMP (Human Microbiome Project) проанализировал самую большую когорту и набор отдельных клинически значимых сред обитания на сегодняшний день. Исследователи обнаружили, что разнообразие и обилие сигнатурных микроорганизмов в каждой среде обитания широко варьируются даже среди здоровых людей, с сильной специализацией ниши как внутри, так и среди людей. Проект столкнулся с примерно 81-99% родов, семей ферментов и конфигураций сообществ, занятых здоровым западным микробиомом. Метагеномный перенос метаболических путей был стабильным среди индивидуумов, несмотря на различия в структуре сообщества, а этнический/расовый фон оказался одной из самых сильных ассоциаций как путей, так и микробов с клиническими метаданными. Таким образом, эти результаты очерчивают диапазон структурных и функциональных конфигураций, нормальных в микробных сообществах здоровой популяции, позволяя в будущем характеризовать эпидемиологию, экологию и трансляционные приложения микробиома человека.

Обильные таксоны в микробиоме человека, которые были метагеномно и таксономически четко определены в популяции HMP

Обилие бактериальных видов (метагеномные данные)обилие PATRIC патогенов

Обилие групп бактерий

обилие бактериальных родов (данные 16S секвенирования


Рис. 2. Бактериальные таксоны в здоровом микробиоме. А-С) Распространенность (интенсивность, цвет, обозначающий тип / класс) и изобилие (наличие и размер ветвей) таксонов в здоровом микробиоме. Наиболее распространенные: A) метагеномно-идентифицированные, B) PATRIC «патогены» (метагеномные) и C) 16S-идентифицированные роды. Размер популяции и глубина секвенирования HMP хорошо определили микробиом на всех анализируемых участках тела, что оценивалось по насыщенности добавленного сообщества.

Бактериальные функции важные для жизни в кишечнике

Бактериальные функции важные для жизни в кишечнике

Обширный неизрасходованный каталог бактериальных генов из кишечного тракта человека дает возможность выявить бактериальные функции, важные для жизни в этой среде. Существуют функции, необходимые бактерии для процветания в кишечном контексте (т.е. «минимальный геном кишечника») и те, которые участвуют в гомеостазе всей экосистемы, закодированные во многих видах («минимальный метагеном кишечника»). Первый набор функций, как ожидается, будет присутствовать в большинстве или всех видах бактерий кишечника, второй набор - в большинстве или всех образцах кишечника человека.

Для определения функций, кодируемых минимальным геномом кишечника, ученые использовали тот факт, что эти функции должны присутствовать в большинстве или во всех видах бактерий кишечника и поэтому появляются в генном каталоге с частотой, превышающей частоту функций, присутствующих только в некоторых видах бактерий кишечника. Относительная частота различных функций может быть выведена из числа генов, набранных в различные кластеры Базы данных биологической информации eggNOG, после нормализации для длины гена и числа копий. Исследователи ранжировали все кластеры по частотам генов и определили диапазон, который включал кластеры, определяющие хорошо известные существенные бактериальные функции, такие как те, которые определены экспериментально для хорошо изученного представителя Фирмикутов, Bacillus subtilis, предполагая, что дополнительные кластеры в этом диапазоне одинаково важны. Как и ожидалось, диапазон, который включал большинство основных кластеров B. subtilis (86%), находился в самом верху порядка ранжирования. Около 76% кластеров с эссенциальными генами Escherichia coli находились в пределах этого диапазона, подтверждая обоснованность подхода авторов. Это говорит о том, что 1244 метагеномных кластера, обнаруженных в пределах диапазона, определяют функции, важные для жизни в кишечнике.

Ученые обнаружили два типа функций среди кластеров диапазона: те, которые требуются для всех бактерий («ведение домашнего хозяйства»), и те, которые потенциально специфичны для кишечника. Среди многих примеров первой категории являются функции, которые являются частью основных метаболических путей (например, центральный метаболизм углерода, синтез аминокислот), а также важных белковых комплексов (РНК-полимеразы, ДНК-полимеразы, АТФ-синтазы, общего секреторного аппарата). 

геномы и метагеномы

Рис. 3. Функциональный состав минимального кишечного генома и метагенома (функции минимального генома и метагенома:  редк. - редкие, част. - частые).

Предполагаемые кишечно-специфические функции включают те, которые участвуют в адгезии к белкам хозяина (коллаген, фибриноген, фибронектин) или в сборке сахаров глобо-серий гликолипидов, которые "декорируют" клетки крови и эпителиальные клетки. Кроме того, 15% кластеров диапазона кодируют функции, которые присутствуют в <10% геномов Базы данных eggNOG и в значительной степени (74,3%) не определены (рис. 3). Детальное их изучение должно привести к более глубокому пониманию бактериальной жизни в кишечнике.

num-4_color

Содержание и разнообразие микробного сообщества кишечника

MetaHIT - Metagenomics of the Human Intestinal Tract

(по результатам 16S секвенирования и метагномного секвенирования от авторов проекта MetaHIT)

Было подсчитано, что микробы в нашем организме в совокупности составляют до 100 триллионов клеток, что в десять раз превышает число человеческих клеток, и предположено, что они кодируют в 100 раз больше уникальных генов, чем наш собственный геном. Большинство микробов обитает в кишечнике, оказывают глубокое влияние на физиологию человека и питание и имеют решающее значение для жизни человека. Кроме того, кишечные микробы способствуют получению энергии из пищи, а изменения микробиома кишечника могут быть связаны с заболеваниями кишечника или ожирением.

А) 16S секвенирование

По материалам David A. Relman, et. al. Diversity of the Human Intestinal Microbial Flora. Science. 2005 Jun 10; 308(5728): 1635–1638.

Чтобы понять и использовать влияние кишечных микробов на здоровье и благополучие человека, необходимо расшифровать содержание, разнообразие и функционирование микробного сообщества кишечника. Методы, основанные на секвенировании генов 16S рибосомных РНК (16S рРНК), показали, что два бактериальных отдела, Бактероидеты и Фирмикуты (Bacteroidetes & Firmicutes), составляют более 90% известных филогенетических категорий и доминируют в микробиоте дистального отдела кишечника. В соответствующем исследовании ученые сфокусировались на 16S рДНК, учитывая ее универсальное распределение среди всех прокариот и надежность для определения филогенетических связей. Образцы слизистой оболочки и фекалии были получены от трех здоровых взрослых субъектов (А, B, С), которые были частью более крупного популяционного исследования «случай-контроль». Образцы слизистой оболочки были получены во время колоноскопии из здоровых участков в шести основных отделах толстой кишки человека: слепая кишка, восходящая толстая кишка, поперечная толстая кишка, нисходящая толстая кишка, сигмовидная кишка и прямая кишка. Образцы фекалий отбирали у каждого субъекта также через 1 месяц после колоноскопии (итого было взято по 7 образцов от каждого субъекта). Исследователи, как было сказано выше, сфокусировались на 16S рДНК. 16S рДНК амплифицировали из образцов с полимеразной цепной реакцией (ПЦР) и бактериальными и архейными праймерами широкого спектра действия. Семь образцов от субъекта B и образец фекалий от субъекта C дали археальные продукты; Все 21 образец дал бактериальные продукты. Продукты ПЦР были клонированы и секвенированы в двух направлениях, и были применены численные экологические подходы.

Из 395 бактериальных филотипов 244 (62%) были новыми, а 80% представляли последовательности из видов, которые не культивировались. Большинство предполагаемых организмов были членами Firmicutes и Bacteroidetes, что согласуется с другими молекулярными анализами кишечной флоры (1, 2, 4). Тип Firmicutes состоял из 301 филотипа, 191 из которых были новыми; большинство (95%) последовательностей Firmicutes были членами класса Clostridia. Исследователи обнаружили значительное количество Firmicutes, связанных с известными бутират-продуцирующими бактериями (2454 последовательности, 42 филотипа), все из которых являются членами кластеров клостридий IV, XIVa и XVI. Мы ожидали заметного представления этой функциональной группы среди наших здоровых контрольных субъектов, учитывая ее роль в поддержании и защите нормального эпителия толстой кишки. Большие различия между 65 филотипами Bacteroidetes были отмечены между субъектами, как описано ранее (1, 2). B. thetaiotaomicron был обнаружен у каждого субъекта и данный вид, как известно, участвует в полезных функциях, включая всасывание питательных веществ и созревание и поддержание эпителиальных клеток. Относительно небольшое количество последовательностей было связано с типами Proteobacteria, Actinobacteria, Fusobacteria и Verrucomicrobia. Низкое содержание последовательностей протеобактерий (включая Escherichia coli) не было неожиданным, учитывая, что факультативные виды могут представлять около 0,1% бактерий в строгой анаэробной среде толстой кишки; это согласуется с предыдущими результатами (1, 3, 4).

Б) Метагеномное секвенирование

По материалам Qin J, Li R, Raes J, Arumugam M, Burgdorf KS, Manichanh C, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464:59–65.

Illumina Genome Analyzer II SystemМетагеномное секвенирование представляет собой мощную альтернативу рРНК-секвенированию для анализа сложных микробных сообществ. Применительно к кишечнику человека, такие исследования уже к 2010 г. сформировали около 3 Гб (Гб - здесь Гигабаза = 1 млрд. пар нуклеотидов) микробной последовательности из образцов фекалий 33 человек из США или Японии. Так, для получения более широкого представления о генах микробов кишечника человека авторы очередного исследования из проекта MetaHIT ("метагеномика кишечного тракта человека" - Metagenomics of the Human Intestinal Tract) использовали технологию Illumina Genome Analyzer (GA) для проведения глубокого секвенирования общей ДНК из образцов фекалий 124 взрослых европейцев. Они сгенерировали 576,7 Гб последовательностей, что почти в 200 раз больше, чем во всех предыдущих исследованиях, собрали ее в контиги (contigs) и предсказали 3,3 миллиона уникальных открытых рамок считывания (ORF). Этот каталог генов содержит практически все распространенные гены микробов кишечника в когорте MetaHIT, дает широкое представление о функциях, важных для бактериальной жизни в кишечнике, и указывает на то, что многие бактериальные виды являются общими для разных людей. Результаты также показывают, что кратковременное метагеномное секвенирование может быть использовано для глобальной характеристики генетического потенциала экологически сложных сред.

Общее бактериальное ядро

gut microbiome

Глубокое метагеномное секвенирование дает возможность исследовать существование общего набора видов микробов (общего ядра) в когорте. Для этой цели авторы использовали нередуцированный набор из 650 секвенированных бактериальных и археальных геномов. Они выровняли показания Illumina GA каждого микробного образца кишечника человека по набору геномов, используя 90%-ный порог идентичности, и определили долю геномов, охваченных чтениями, которые выровнены только по одной позиции в наборе. При охвате 1%, который для типичного кишечного бактериального генома соответствует средней длине около 40 кб, что примерно в 25 раз больше, чем у гена 16S, обычно используемого для идентификации видов, исследователи обнаружили 18 видов у всех идивидуумов, 57 в ≥90% и 75% ≥50% людей. При 10% охвате, требующем ~ 10-кратного увеличения численности в выборке, ученые все же обнаружили 13 из вышеуказанных видов у ≥90% индивидуумов и 35 у ≥50%.

Когда накопленная длина последовательности увеличилась с 3,96 Гб до 8,74 Гб и с 4,41 Гб до 11,6 Гб для используемых образцов MH0006 и MH0012 (156,9 Мб и 154,7 Мб), соответственно, число штаммов, общих для двух образцов при пороге охвата 1%, увеличилось на 25%, с 135 до 169. Это говорит о существовании значительно большего общего ядра, чем то, которое мы могли бы наблюдать на глубине последовательности, обычно используемой для каждого человека.

Изменчивость численности микробных видов у индивидуумов может сильно повлиять на идентификацию общего ядра. Чтобы визуализировать эту изменчивость, исследователи сравнили количество считываний секвенирования, выровненных по разным геномам у людей из их когорты MetaHIT. Даже для наиболее распространенных 57 видов, присутствующих у ≥90% индивидуумов с охватом генома >1%, межвидовая изменчивость варьировала от 12- до 2187 кратной (рис. 4.). Как и ожидалось, Bacteroidetes и Firmicutes имели наибольшую численность.


Дополнительный материал
num-5_color

БАКТЕРОИДЕТЫ, ФИРМИКУТЫ и ДРУГИЕ

Бактероидеты, фирмикуты и другие

????Знания, полученные в течение более чем столетия изучения микробиоты желудочно-кишечного тракта человека, показали, что эта экосистема действительно является «забытым органом». Множество данных о микробиоте ЖКТ сильно разбросано во времени, а потому обзорная работа по систематизации знаний в этой области крайне необходима. И такая работа есть. В ней после анализа научной литературы (конца IXX - нач. XXI века) даны систематический обзор и подробные ссылки на 1057 микробных видов кишечника.

????На нашем сайте небольшая часть указанного обзора включена в раздел о бактероидетах и фирмикутах. Данный выбор не случайный и продиктован растущим интересом к доминирующей кишечной микрофлоре, к которой относятся представители Firmicutesи Bacteroidetes, а также произошедшей за последнее время переклассификацией ряда отдельных иерархических групп и видов кишечных микроорганизмов. Подробнее см. здесь-->>

????Представлено также филогенетическое древо микробиоты желудочно-кишечного тракта человека, в котором явно выделяются упомянутые фирмикуты и бактероидеты. Известно, что соотношение Firmicutes к Bacteroidetes отличается у тучных и худощавых людей, и эта доля уменьшается с потерей веса на низкокалорийной диете. Поэтому разумно предположить, что увеличение соотношения F/B у людей, вероятно, вызванное их высококалорийной диетой, может считаться полезным биомаркером ожирения.

????Также дополнительно представлен графический обзор относительного обилия ключевых типов состава кишечной микробиоты человека на разных этапах жизни. Данные взяты из исследований со следующими условиями: грудное и искусственное вскармливание, детское твердое питание, антибиотики для малышей, здоровый или истощенный малыш, взрослые, пожилые и 100-летние здоровые и взрослые, страдающие ожирением.


Пища для кишечной микробиоты

Питание и конфигурация кишечного микробиома

Диета, кишечная микробиота и здоровье

Со времени возрождения микробиомных исследований в последнее десятилетие накопилось много знаний о силах, формирующих архитектуру и функциональность резидентных микроорганизмов в кишечнике человека. Из множества вовлеченных эндогенных и экзогенных факторов, связанных с хозяином, основным детерминантом структуры и функционирования сообщества микробиоты кишечника является питание. Вводя пищевые сигналы в связь между хозяином и его микробиотой, питание поддерживает гомеостаз или способствует восприимчивости к болезням. Микробиота модулирует патогенез, прогрессирование и лечение заболеваний, начиная от метаболических нарушений до неврологических патологий.  Изменение формы взаимодействия хозяина и микробиоты посредством персонифицированного питания является новым терапевтическим направлением как для борьбы с болезнями, так и для их профилактики. Состав и функция микробиоты кишечника формируется с младенчества, и в дальнейшем на нее оказывают сильное влияние многие факторы окружающей среды, из которых диета - является ключевым детерминантом конфигурации микробиоты, посредством модуляции обилия конкретных видов и их индивидуальных или коллективных функций. Кроме того, воздействие конкретного рациона питания на отдельных людей в популяции отличается от человека к человеку и может зависеть от сочетания особенностей хозяина и микробиома, причем последнее влияние в основном определяется окружающей средой, а не генетическим фоном, и поэтому потенциально более поддается вмешательству. Понимание того, как диетические питательные вещества модулируют микробиом кишечника, представляет большой интерес для разработки пищевых продуктов и моделей питания для борьбы с глобальным бременем неинфекционных заболеваний. Современные исследования показывают, что пищевые волокна, включая арабиноксиланы, галактоолигосахариды, инулин и олигофруктозу, способствуют развитию ряда полезных бактерий и подавляют потенциально вредные виды. Доклинические данные свидетельствуют о том, что количество и тип жира модулируют как полезные, так и потенциально вредные микробы, а также соотношение Firmicutes / Bacteroidetes в кишечнике. Клинические и доклинические исследования показывают, что тип и количество белков в рационе также оказывает существенное и дифференцированное влияние на микробиоту кишечника. То же относится к витаминам, микроэлементам, минералам, полифенолам, пищевым добавкам и т.д.

О важности оси "диета-микробиом-хозяин" см. по ссылкам:


 Из истории изучения микробиома
num-6_color

Первые результаты проекта HMP

Human Microbiome Project

Начальная цель проекта - расшифровка 900 полных геномов микробов, представленных простейшими одноклеточными животными, бактериями и археями, однако даже это количество, в конечном итоге, будет лишь малой толикой информации о всех микробах, живущих в человеческом теле, которые и составляют так называемый "МИКРОБИОМ".


Проект "Микробиом человека" является логическим развитием проекта "Геном человека", целью которого является полная расшифровка человеческого генома. Несмотря на то, что проект стартовал в 1990 году, а первый полный геном человека был опубликован в 2003-м, этот проект до сих пор не завершен, так как нерасшифрованными остаются некоторые участки человеческой ДНК.

Микрофлора ЖКТ Сообщества микроорганизмов или микрофлора, находятся в тесном взаимодействии с нашим организмом. Они могут способствовать нашей жизнедеятельности, либо вызвать заболевания. Пять ключевых мест человеческого тела, а именно: кишечник, полость рта, дыхательные пути, кожные покровы и мочеполовая система, обильно населены различными видами микробов. В связи с этим они играют важную роль в поддержании иммунитета, обмена веществ, пищеварения и других функций.

Пищеварительный тракт – пристанище большинства наших микроскопических сожителей, именно здесь находится микробиом человека. То есть кишечный микробиом – это то, что прежде называлось микрофлорой кишечника.

Сейчас, с началом масштабных геномных исследований самых разных бактериальных сообществ (например, некоторых участков дна океанов, сточных вод и пр.), название микробиом стало более популярным. Оно подразумевает совокупность не столько самих микробов, сколько всех микробных генов, оказывающих влияние на среду, в которой они существуют. Человеческий организм – это тоже среда обитания микробов...


НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА БИОЛОГИЮ ЧЕЛОВЕКА

Итоги проекта «Микробиом человека»

Микробиом человекаКонсорциум американских ученых в 2012г. опубликовал результаты пятилетней работы над проектом Национальных институтов здоровья "Микробиом человека" (Human Microbiome Project). В работе над проектом Микробиом человека приняли участие около 200 ученых из 80 мультидисциплинарных исследовательских институтов. Общая стоимость исследования составила 173 миллиона долларов.

Целью проекта было охарактеризовать все микробы, присутствующие в организме человека, для чего ученые взяли образцы тканей из 15 мест на теле 129 мужчин и из 18 мест у 113 женщин. Все добровольцы - здоровые люди в возрасте от 18 до 40 лет - предоставили по три образца слизистой с внутренней стороны щек, носа, кожи за ухом и локтевого сгиба, а также фекальные пробы.

По результатам генетического анализа биоматериала было установлено, что в человеческом организме обитает свыше 10 тысяч видов различных микробов. Как утверждают авторы исследования, такое разнообразие микробиома обеспечивает человека гораздо большим количеством генов, чем можно было представить. Так, если в геноме человека содержится 22 тысячи генов, кодирующих белки для регуляции метаболизма, микробиом добавляет еще около восьми миллионов уникальных бактериальных генов.


«Вопрос о том, как индивидуальные вариации типов бактерий среди здоровых людей влияют на возможное развитие болезней, пока остается открытым», - комментирует один из членов консорциума Энтони Фодор (Anthony Fodor).


Целью пятилетнего исследования стала характеристика всех микробов человеческого организмаОказывается, почти у каждого человека в теле содержится низкое количество вредоносных видов бактерий, патогенных микроорганизмов, которые уже стали известны из-за причиняемых ими инфекций. Но когда человек здоров, как и те 242 взрослых американца, которые добровольно прошли тестирование в проекте, эти микроорганизмы спокойно сосуществуют с полезными микробами, которые в свою очередь «держат их в узде».

Следующий момент, который хотят выяснить врачи - почему патогенные микроорганизмы вредят некоторым людям и одновременно не влияют на других? Какие изменения происходят в микросреде человека, которые приводят к риску различных заболеваний от инфекций синдрома раздраженного кишечника до псориаза?

Все эти и многие другие вопросы ставились перед учеными, участвующими в одном из самых масштабных проектов Национального института здоровья в США. Полученные результаты уже меняют взгляды ученных на то, каким образом люди остаются здоровыми и наоборот - болеют.


«Это совершенно новый взгляд на биологию человека и человеческие болезни, и это впечатляет», - прокомментировал доктор Филипп Тарр из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, один из ведущих ученых в $ 173-милионном проекте, который финансируется Национальным институтом здоровья США.

«Эти бактерии не являются «пассажирами» в нашем теле, - подчеркнул Тарр, - они метаболически активные. Они, как сообщество, и мы должны считаться с ними так же, как мы считаемся с экосистемой леса или воды. И так же, как и в экосистемах окружающей среды, состав микробов на каждой части вашего тела разный. Ваша кожа, например, сравнима с тропическими лесами, а кишечник изобилует различными видами микроорганизмов, как океан.


Ученым известно, что в человеческом теле сосуществуют триллионы отельных бактерий.-human-microbiome-projectУченым уже давно известно, что в человеческом теле сосуществуют триллионы отельных бактерий. Это называется микробиомом человека. До сих пор проводились исследования только тех микробов, которые являлись причиной разных заболеваний. Вы можете вспомнить, как часто медики говорят, что каждый третий человек является носителем золотистого стафилококка (в носу, или на коже), которым может заразить и других. Но никто не знает все виды микроорганизмов, которые населяют тело здорового человека, где именно они находятся и как влияют на наш организм. Около 200 ученых из 80 научных исследовательских организаций работали вместе в течении пяти лет над самой первой в истории переписью, для того чтобы ответить на эти вопросы, разгадывая ДНК микроорганизмов с помощью одного из методов, который используется для расшифровки генетики человека. Результаты этих исследований были напечатаны в серии отчетов в журналах Nature и Public Library of Science.

Сначала ученые должны были собрать образцы тканей с разных участков тела человека – рта, носа, некоторых участков кожи, влагалища у женщин и с кала. Затем они отделили ДНК бактерий от ДНК человека и начали анализ сложных бактерий: лактобациллус, стрептококк, коринебактерии.


«Каждая клетка человеческого тела является «домом» для около 10 бактериальных клеток, но они насколько микроскопические, что общая масса всех микроорганизмов составляет от 1 до 3-х процентов массы тела человека», - объяснил доктор Эрик Грин из Национального Центра Исследований Человеческого Генома в Национальной Организации Здравоохранения США (NIH). Это значит, что человек весом 90 кг содержит в себе до 3-х кг бактерий.


Человеческий геном содержит около 22 000 генов. Но, по оценкам нового проекта, микробы наделяют наш организм еще большей силой, равной 8-ми миллионов генов

Человеческий геном содержит около 22 000 генов. Но, по оценкам нового проекта, микробы наделяют наш организм еще большей силой, равной 8-ми миллионов генов. Гены бактерий выполняют определенную работу по отношению к нашему организму. Некоторые из них играют важную роль для здоровья и развития человеческой клетки, в которой они содержатся, как рассказал доктор Брюс Биррен, другой исследователь проекта. Гены кишечной бактерии, например, расщепляют некоторые белки и жиры. А также они вырабатывают полезные соединения, которые борются с разного рода воспалениями. И еще, ученые обнаружили, что не существует какого-то основного состава микроорганизмов, которые выполняют определенные функции, это могут делать разные сочетания бактерий.


ОТЛИЧИЕ МИКРОБИОМА СРЕДИ ЭТНИЧЕСКИХ ГРУПП

этнические группы

Небольшое отступление. В 2018 г. ученые обнаружили 12 конкретных типов бактерий, которые регулярно варьируются в изобилии в зависимости от этнической принадлежности. Поскольку этническая принадлежность захватывает многие факторы, начиная от диеты до генетики, трудно сказать, почему это так, сказал Эндрю Брукс (Andrew Brooks), докторант университета Вандербильта (Vanderbilt University) в Институте генетики Вандербильта, который проанализировал данные, предоставленные американским проектом Gut (American Gut Project) и проектом микробиома человека (Human Microbiome Project). Но это основа для понимания здоровых различий в микробиомах между людьми...


Содержание микробов в организме адаптируется в зависимости от местности проживания человека, его диеты и ряда других факторов. Среда микробов в вашем организме может также изменяться после приема антибиотиков, которые убивают некоторых из них. Кишечные палочки одного вида могут заменяться другими, при этом не менее эффективными.


«Каждый человек имеет разный состав бактерий в организме, при этом, они организованы так, чтобы выполнять определенные функции», - сказал Биррен. Вполне возможно, что наш образ жизни и окружающая среда стимулировала появление такого рода механизма, который работает на нас.


На данный момент проводятся исследования, которые бы показали, как отличается состав микроорганизмов у человека с определенной болезнью от здорового человека с дальнейшей целью профилактики и лечения заболеваний.

Рассмотрим, например, желудочно-кишечный сверхинфект (бактерии, устойчивые к воздействию антибиотиков, к ним относится также золотистый стафилококк), которым часто заражаются люди, пребывающие в больнице и от которого иногда умирают. Филипп Тарр (Вашингтонский университет) хочет узнать, какой состав из кишечных бактерий может предотвратить поражение ЖКТ дизбактериозом, или же уменьшить его пагубное действие и выяснить, кто из людей более подвержен заражению.

Исследователи Медицинского колледжа Бейлора сообщили, что бактерии, которые находятся во влагалище беременной женщины, имеют свойства меняться во время протекания беременности, возможно для того, чтобы создавалась наиболее благоприятная здоровая среда при рождении ребенка. Предыдущие исследования также показали, что состав бактерий у детей, которые принимались традиционными родами, отличается от бактерий детей, которые рождались с помощью кесарева сечения. Это объясняет, почему кесарево сечение повышает риск заражения ребенка некоторыми инфекциями.


«Каждая новая информация становится шокирующей для нас, потому что она показывает как много еще нужно работать над тем, чтобы понять тот мир, который существует внутри нас», - отметил специалист по инфекционным заболеваниям доктор Дэвид Рэльман (Стэнфордский университет), который написал обзор по результатам этого проекта в журнале Nature.


Например, в проекте принимали участие в основном белокожие добровольцы, живущие в округах Хьюстона и Сэнт Льюиса. Д-р Рэльман отметил, что нужно будет еще проделать большую работу над определением микробиома людей с разной расовой принадлежностью, этнического и географического происхождения. Есть также много открытых вопросов касательно того как эти микробы взаимодействуют с генетикой человека.


«Мы, по сути, совсем не осведомлены о том какие функции обеспечивает микробная экосистема, которая находится внутри нас и как она влияет на наше здоровье», - отметил Рэльман.


Второй этап проекта микробиом человека
num-7_color

Интегративный Проект Микробиома Человека

chast_prirodnogo_krugozora_mikrobioma_kishechnika.jpg

The Integrative HMP (iHMP) Research Network Consortium.
The Integrative Human Microbiome Project.
Nature volume569, pages641–648(2019)
liniya.png

Проект NIH Human Microbiome Project (HMP) осуществлялся в течение десяти лет и состоял из двух этапов, чтобы предоставить ресурсы, методы и открытия, которые связывают взаимодействие между людьми и их микробиомами с результатами, связанными со здоровьем. Недавно завершенная вторая фаза, «Интегративный Проект Микробиома человека», включала исследования динамических изменений в микробиоме и хозяине при трех условиях: беременность и преждевременные роды; воспалительные заболевания кишечника; и стрессоры, которые влияют на людей с преддиабетом. Соответствующие исследования начинают выяснять механизмы взаимодействия хозяина с микробиомом в этих условиях, предоставляют уникальные ресурсы данных (в DCC -  Координационном центре данных HMP) и представляют собой парадигму для будущих мульти-омических исследований микробиома человека.

ВВЕДЕНИЕ

Хотя эпоха ОМИКИ ускорила все аспекты биологических исследований, ее влияние особенно заметно проявилось при изучении микробных сообществ и микробиома человека. За 18 лет, прошедших с момента публикации первого генома человека,исследования микробиома выросли от культуральных исследований полости рта и кишечника до молекулярных профилей микробной биохимии во всех экологических нишах человеческого организма1,2,3. Эпидемиология и модельные системы были использованы для выявления ассоциаций между изменениями в микробиоме и состояниями, варьирующими от аутизма4 до рака5,6,7, а также были выявлены микробные и иммунологические механизмы, влияющие, например, на эффективность лекарств, используемых для лечения сердечных состояний8 или выживаемость при болезни трансплантат-хозяин9.

Современные исследования микробиома человека также были источником основных биологических и трансляционных сюрпризов, обнажая убедительный диапазон новых открытий и открытых вопросов. Кажется, что каждый человек несет свой собственный, в значительной степени индивидуальный набор микробных штаммов10,11, которые приобретаются в раннем возрасте12,13,14, различаются между средами и популяциями15,16 и могут сохраняться в течение многих лет17 или подвергаться относительно быстрым переходам18. Микробное разнообразие проявляется по-разному в разных экологических нишах организма; например, в кишечнике, как правило, ожидается большее разнообразие, но это может быть связано с дисбиотическими состояниями и риском неблагоприятных событий в женском репродуктивном тракте. Микробиом может быть нарушен такими состояниями, как воспалительные заболевания кишечника и диабет, но различные состояния здоровья, связанные с микробиомами, и основы этих связей остаются неисследованными. Насколько динамичен микробиом во время таких процессов, как беременность или вирусная инфекция? Какие изменения в микробиоме представляют собой причины, а не последствия изменений в здоровье? Какие молекулярные элементы персонализированного микробиома могут отвечать за результаты в отношении здоровья, и как они интегрируются и поддерживают физиологические процессы, такие как иммунная система и обмен веществ? И какие экологические элементы определяют успех трансплантации микробиоты, и почему они успешны в лечении некоторых людей и состояний, но не других?

Проект Национального института здоровья «Микробиом человека» был одной из первых крупномасштабных инициатив, направленных на решение подмножества этих вопросов19 (рис. 1). Начатая в 2007 году первая фаза программы была направлена на определение наличия общих элементов в «здоровых» микробиомах при отсутствии явных заболеваний. Исследования как базовой взрослой популяции21,22,23, так и "демонстрационных" популяций со специфическими болезнетворными состояниями установили типичные диапазоны (для некоторых популяций) микробной принадлежности и ферментативных репертуаров по всему организму, комбинации метаболических функций, которые были либо преобладающими, либо специфичными для штамма, а также некоторые факторы хозяина (такие как раса или этническая принадлежность), определяющие эту вариацию. Исследования целевых популяций выявили экологические состояния таких ниш, как вагина24,25, кожа26,27,28, кишечник29,30,31,32,33 и многие другие (https://www.hmpdacc.org/health/projectdemos.php). Таким образом, эта первая фаза HMP (HMP1) дала множество ресурсов сообщества: нуклеотидные последовательности микроорганизмов и сообществ из большого числа изолятов, отдельных лиц и популяций (http://hmpdacc.org)34,35,36,37; протоколы для поддержки воспроизводимой выборки микробиома по всему телу и генерации данных38,39,40; и вычислительные методы для анализа микробиома и эпидемиологии41,42,43,44,45,46,47.

Рис. 1. Первая и вторая фазы проекта NIH Human Microbiome.

Рис. 1. Первая и вторая фазы проекта NIH Human Microbiome.

В рамках десятилетней программы NIH Human Microbiome Project (HMP), организованной в два этапа (HMP1 и HMP2), были разработаны эталонные последовательности, мульти-омические наборы данных, вычислительные и статистические инструменты, а также аналитические и клинические протоколы в качестве ресурсов для более широкого исследовательского сообщества. HMP1 фокусировался на характеристике микробных сообществ из многочисленных участков тела (ротовой полости, носа, влагалища, кишечника и кожи) в базовом исследовании здоровых взрослых испытуемых и включал ряд демонстрационных проектов, которые были сосредоточены на конкретных заболеваниях или расстройствах. HMP2 расширил репертуар биологических свойств, проанализированных как для хозяина, так и для микробиома в трех продольных когортных исследованиях репрезентативных микробиом-ассоциированных состояний: беременность и преждевременные роды (вагинальные микробиомы беременных женщин), воспалительные заболевания кишечника (кишечный микробиом) и преддиабет (кишечный и назальный микробиомы). Эти исследования следили за динамикой этих состояний с помощью мульти-омических анализов различных типов измерений с течением времени, включая изменения состава микробного сообщества, виромики, метаболомных профилей, экспрессии генов и белковых профилей как хозяина, так и микробиома, а также специфичных для хозяина свойств, таких как генетический, эпигеномный, антителовый и цитокиновый профили, наряду с другими специфичными для исследования особенностями. Все последовательности и мульти-омические данные, клиническая информация и инструменты из HMP1 и HMP2 размещаются в Координационном центре данных HMP (DCC) или ссылаются на общедоступные или контролируемые хранилища доступа, чтобы служить центральным ресурсом для исследовательского сообщества.


Одним из главных выводов HMP1 было то, что таксономический состав микробиома сам по себе часто не был хорошо коррелирован с фенотипом хозяина - это, как правило, лучше предсказывалось преобладающей микробной молекулярной функцией или персонализированным штамм-специфическим составом21. Это открытие послужило основой для разработки второй фазы HMP, интегративной HMP (iHMP или HMP2)48, которая была разработана для изучения взаимодействия хозяина и микробиома, включая иммунитет, метаболизм и динамическую молекулярную активность, чтобы получить более целостное представление о взаимодействии хозяина и микроба с течением времени. Эта мульти-омическая программа была направлена на расширение ресурсной базы, доступной для сообщества исследователей микробиома, чтобы начать рассматривать отношения между хозяином и микробиомом механистически и решать вопросы, представленные выше. Поэтому в проектах HMP2, направленных на борьбу с заболеваниями, было рекомендовано использовать несколько взаимодополняющих подходов, чтобы продольно оценить механизмы человеческой и микробной активности и предоставить протоколы, данные и биологические образцы для будущей работы. Эти проекты включали три исследования, которые отслеживали динамику состояния здоровья и заболеваемости людей в условиях с известным взаимодействием микробиомов, таким образом, непосредственно затрагивая важные последствия для здоровья, а также служили в качестве моделей «типичных» состояний, связанных с микробиомами, представляющих широкий интерес для исследовательского сообщества. Они включали беременность и преждевременные роды (PTB – или preterm birth); воспалительные заболевания кишечника (ВЗК); и стрессоры, которые влияют на людей с преддиабетом. Эти исследования, которые в настоящее время достигли первой стадии завершения49,50,51, в совокупности предоставляют обширную информацию и понимание не только микробной динамики, но также связанных с ними реакций организма-хозяина и микробных взаимосвязей. На сегодняшний день коллекция из более чем 20 рукописей описывает некоторые из этих результатов по адресу https://www.nature.com/collections/fiabfcjbfj, и вместе они обеспечивают богатый мульти-омический ресурс данных, который будет добываться в ходе будущей работы (http://www.ihmpdcc.org).

Микробиом влагалища, беременность и преждевременные роды

преждевременные роды

Преждевременные роды могут иметь разрушительные последствия для новорожденных, включая смерть и длительную инвалидизацию. В Соединенных Штатах примерно 10% рождений приходится на недоношенных детей52, а в странах с более низкими ресурсами этот показатель еще выше. Факторы окружающей среды, включая микробиом женского репродуктивного тракта, играют важную роль в развитии недоношенности. Примечательно, что эти факторы оказывают большее влияние на женщин африканского происхождения, которые также несут самое большое бремя преждевременных родов (PTB)53. В последние десятилетия младенческая смертность снизилась, но заболеваемость PTB не уменьшилась, и прогресс в прогнозировании индивидуального риска развития PTB застопорился. Во время беременности материнская иммунная система поддерживает тонкий баланс провоспалительных и противовоспалительных факторов55, и факторы, способствующие развитию PTB, включают нарушение толерантности матери и плода, сосудистые нарушения, стресс, недостаточность шейки матки, преждевременный разрыв плодных оболочек и амниотическую инфекцию56. Считается, что микробное проникновение в матку вызывает PTB, нарушая иммунный баланс матери, приводя к спонтанным преждевременным родам и / или высвобождению микробных продуктов (например, коллагеназ, протеаз или токсинов), которые нарушают целостность плодных оболочек и приводят к преждевременному разрыву мембран57.

Исследовательская группа Multi-Omic Microbiome Study: Pregnancy Initiative (MOMS-PI), в составе HMP2, охарактеризовала микробиомы беременных женщин, чтобы оценить их влияние на риск возникновения PTB (Рис. 2). В рамках этого проекта было прослежено 1527 женщин в течение всей беременности, и в него был вовлечен сбор 206 437 образцов, включая мазки из влагалища, ротовой полости, прямой кишки, кожи и ротовой полости матери, кровь, мочу и продукты родов, а также пуповинную кровь, меконий и первый сту, щечные, кожные и ректальные мазки. Подмножества этих образцов подвергались таксономическому анализу генов 16S рРНК, метагеномному и метатранскриптомному секвенированию, цитокиновому профилированию, липидомическому анализу и анализу бактериального генома. Команда MOMS-PI проанализировала 12 039 образцов из 597 беременностей, чтобы исследовать динамику микробиома и его взаимодействия с хозяином во время беременности, приводящую к PTB50.

Микробиом влагалища и его связь с факторами хозяина во время беременности и преждевременных родов

Рис. 2. Микробиом влагалища и его связь с факторами хозяина во время беременности и преждевременных родов.

Проект MOMS-PI отслеживал 1527 беременностей в продольном направлении и включал сбор 206 437 биологических образцов для анализа факторов хозяина и микроорганизмов (ампликон 16S, метагеномное и метатранскриптомное секвенирование; профилирование цитокинов; метаболомика; протеомика; геномика и культура микробного изолята). Около 600 беременностей были тщательно проанализированы, чтобы оценить особенности, которые приводят к преждевременным родам; этот анализ выявил как факторы хозяина (например, цитокины), так и микробные (например, экологический и специфический штаммы) факторы. По мере того как беременность прогрессирует, с предсказуемыми изменениями в системных уровнях эстрадиола, матка и влагалищная среда претерпевают различные изменения. Матка переходит от раннего провоспалительного состояния к противовоспалительному состоянию во втором триместре, а затем обратно к провоспалительному состоянию до начала родов. Между тем, специфические изменения в микробиоме просвета влагалища могут быть связаны с преждевременными родами, возможно, через механизмы, включающие микроорганизмы, перемещающиеся из влагалища в матку. На рисунке представлен обзор продольных изменений в экосистеме слизистой оболочки влагалища и матки во время беременности.


Эти мульти-омические исследования выявили временные изменения в микробиоме влагалища, связанные с доношенной беременностью. Женщины, которые часто начинали беременность с вагинальным микробиомом большей экологической сложности, как правило, сходились к более однородному микробиому с преобладанием лактобацилл ко второму триместру58. Интересно, что эта тенденция была наиболее выражена у женщин африканского происхождения с более низким социально-экономическим профилем. Хотя общая когорта MOMS-PI была демографически разнообразна, большинство женщин, которые испытали спонтанный PTB менее чем на 37 неделе беременности, имели африканское происхождение. Команда MOMS-PI (http://vmc.vcu.edu/momspi) также выявила признаки более высокого риска развития PTB у женщин, у которых спонтанные преждевременные роды были менее чем на 37 неделе беременности50. Женщины, у которых в дальнейшем наблюдался спонтанный PTB, с меньшей вероятностью демонстрировали вагинальную микробиоту с преобладанием Lactobacillus crispatus, как ранее сообщалось в других популяциях59,60,61,62, и с большей вероятностью демонстрировали повышенную пропорциональную численность нескольких таксонов, включая Sneathia amnii, Prevotella-родственные клады, таксон Lachnospiraceae, известный как BVAB1 и бактерию Saccharibacteria, известную как TM7-H1. Примечательно, что эти таксоны также были связаны с низким уровнем витамина D63, предполагая, что вагинальный микробиом может опосредовать связь между риском PTB и дефицитом витамина D64. Сигнатуры PTB также были отражены в метагеномных и метатранскриптомных измерениях, а вагинальные провоспалительные цитокины (включая IL-1β, IL-6, MIP-1β и эотаксин-1) были положительно коррелированы с PTB-ассоциированными таксонами. Для будущих возможных вмешательств удобно то, что влагалищные микробиомы матерей, которые испытали PTB, были наиболее отличными от таковых у контрольных матерей на ранних сроках беременности, и предварительная модель для предсказания риска PTB была наиболее чувствительной и специфичной, используя влагалищные профили микробиома из образцов, собранных до 24 недель беременности

Исследовательская группа MOMS-PI выявила интригующие связи между микробиотой влагалища, реакцией хозяина и исходами беременности, которые согласуются с вовлечением микроорганизмов, восходящих из влагалища, по крайней мере, в некоторых случаях спонтанного PTB. В качестве важного следующего шага вклад расового и демографического фона во влагалищный микробиом во время беременности в связи с исходами беременности должен быть полностью изучен в рамках согласованных широкомасштабных исследований50. Понятно, что PTB имеет сложную этиологию56. Следует изучить относительный вклад генетики и эпигенетики плода и матери, особенно в связи с генетическим изменением врожденной иммунной системы. Гармонизированные крупномасштабные исследования позволят разработать алгоритмы оценки риска для конкретных популяций с использованием профилей вагинального микробиома, особенностей генетического и пренатального (внутриутробного) генетического скрининга, биомаркеров, таких как цитокины и метаболиты, и ключевых клинических признаков из классических маркеров риска, включая материнский. возраст, индекс массы тела, история беременности (включая историю PTB), длина шейки матки и показатели стресса и других воздействий окружающей среды. С добавлением новых данных из микробиома, других факторов окружающей среды и мульти-омических входных данных новые алгоритмы обещают улучшить нашу способность предсказывать риск PTB на ранних сроках беременности, облегчить клинические испытания путем выявления пациентов с высоким риском и, в конечном счете, стратифицировать популяции пациентов на группы лечения.

Микробиом кишечника и воспалительные заболевания кишечника

воспалительные заболевания кишечника

Исследования микробиома кишечника при желудочно-кишечных заболеваниях имеют особенно долгую и детальную историю, особенно при сложных хронических состояниях, таких как воспалительные заболевания кишечника (ВЗК). ВЗК, включая болезнь Крона и язвенный колит, поражает миллионы людей во всем мире, причем рост заболеваемости за последние 50 лет или более совпадает с множеством факторов, таких как вестернизация, урбанизация, изменения в рационе питания, воздействие противомикробных препаратов и многие другие, которые могут влиять на гомеостаз микробиома хозяина65. Микробиом уже давно вовлечен в ВЗК, потенциально в качестве причинного фактора или фактора риска66,67, как объяснение гетерогенности реакции на лечение (то есть некоторые люди хорошо реагируют на относительно доброкачественные аминосалицилаты или кортикостероиды, в то время как другие все еще испытывают сильное воспаление даже после хирургического вмешательства)68, или как новый пункт терапевтического вмешательства (например, путем трансплантации фекальной микробиоты69,70). Хотя мета-омические методы были использованы для выявления функционально последовательных микробных реакций, которые помогают объяснить роль микробиома кишечника как части провоспалительной обратной связи в кишечнике во время болезни71, и было показано, что некоторые штаммы микроорганизмов являются специфичными для ВЗК72, до сих пор не существует всеобъемлющей модели специфических микробных, молекулярных и иммунных взаимодействий, чтобы объяснить начало заболевания и его динамическое прогрессирование.

Поэтому, чтобы лучше охарактеризовать механизмы дисрегуляции хозяина и микробиома во время заболевания, проект базы данных по воспалительным заболеваниям кишечника (IBDMDB) в течение одного года включал 132 человека из пяти клинических центров в составе HMP2 (рис. 3). Интегрированные продольные молекулярные профили активности микроорганизмов и хозяев были получены путем анализа 1785 образцов стула (самостоятельно собранных и отправленных по почте каждые две недели), 651 кишечной биопсии (собранных колоноскопически в начале исследования) и 529 ежеквартальных образцов крови. Насколько это было возможно, из одних и тех же наборов образцов были получены множественные молекулярные профили, в том числе метагеномы стула, метатранскриптомы73, метапротеомы, виромы, метаболомы74,75, экзомы хозяина, эпигеномы, транскриптомы и серологические профили, среди прочего, позволяющие одновременно наблюдать изменения в различных типах молекулярной и клинической активности хозяина и микробов с течением времени. Протоколы и результаты исследования, дополнительная информация о его инфраструктуре, а также необработанные и обработанные продукты данных76,77 доступны через информационный портал IBDMDB (http://ibdmdb.org), из Центра координации данных HMP2 (DCC; http://ihmpdcc.org), и в сопроводительной рукописи49.

Динамика «хозяин-микробиом» при ВЗК

Рис. 3. Динамика «хозяин-микробиом» при ВЗК.

IBDMDB наблюдала за более чем 100 участниками с ВЗК (болезнью Крона или язвенным колитом), а также контрольными лицами без ВЗК в течение одного года для оценки молекулярной активности хозяина и микробов во время изменений активности заболевания и воспаления желудочно-кишечного тракта. Почти все измеренные свойства микробиома хозяина показали изменения в активности или стабильности во время болезни, включая показанные здесь - не только микробные таксоны и микробную транскрипцию, но также небольшие молекулы в кишечнике, происходящие из хозяина и микробиоты, эпителиальные транскрипционные ответы в нескольких точках вдоль толстой кишки и уровень циркулирующих антител в серологии периферической крови.


Этот уникальный дизайн исследования позволил IBDMDB выявить множество различий в микробиоме и иммунном ответе хозяина с течением времени во время течения заболевания. Действительно, эти динамические изменения имели гораздо большую величину, чем кросс-секционные различия между клиническими фенотипами,которые были подчеркнуты предыдущими исследованиями67,71,78,79. Отчасти это было связано с проспективным характером когорты, которая набирала пациентов с болезнью Крона или язвенным колитом как в активный, так и в спокойный периоды заболевания, показывая, что микробные композиции у пациентов с ВЗК часто возвращаются к более контрольным, "базовым" конфигурациям, когда болезнь не активна. Выявив микробные конфигурации кишечника, которые наиболее сильно отличались от исходного уровня - независимо от конкретного болезненного состояния - исследование определило показатель дисбактериоза, в котором выявлялись сильно расходящиеся микробные композиции, которые имеют много общих черт, общих для общего воспалительного ответа (например, толерантность к окислительному стрессу). Однако этот дисбактериоз не был уникальным для микробной реакции на воспаление и был связан с другими биохимическими изменениями хозяина, указывая на новые потенциальные направления для управления системной дисрегуляцией при ВЗК. Они включали большие сдвиги в пулах ацилкарнитина и желчных кислот, повышение уровня антител в сыворотке крови и изменения в транскрипции для нескольких видов микробов. Параллельная транскриптомика и профилирование сообщества слизистой оболочки 16S-ампликонов из биопсий также выявили потенциальные факторы хозяина, которые могли бы формировать микробное сообщество, в частности, несколько хемокинов, выделяя их как вовлеченные в потенциально дисрегулированное взаимодействие в периоды активности болезни49.

Лонгитюдные мульти-омические профили исследования также позволили исследователям охарактеризовать стабильность и динамику взаимодействий хозяина и микробиома во время болезни, в частности выделив способы, при которых состояние сообщества и иммунные реакции явно менее стабильны у участников с ВЗК, чем у контрольных здоровых лиц. Во многих случаях микробиом участника с ВЗК полностью менялся в течение всего лишь нескольких недель (измеренных как максимальное несходство Брей-Кертиса с более ранними образцами от того же субъекта), в то время как такие сдвиги были редки у лиц без ВЗК. Основной вклад микробов в эти крупномасштабные сдвиги от одной временной точки к другой в значительной степени отражал различия, наблюдаемые при дисбактериозе, и эти сдвиги часто отмечали вход в периоды дисбиоза или выход из них. Наконец, долгосрочные комплементарные молекулярные измерения исследования позволили построить сеть из более чем 2900 значимых клеточных и молекулярных взаимодействий хозяина и микробов во время ВЗК, начиная от специфических микробных таксонов и заканчивая человеческими транскриптами и мелкомолекулярными метаболитами. Эта сеть механистических ассоциаций выявила несколько ключевых компонентов, которые являются центральными для изменений, наблюдаемых в ВЗК, выделив октаноилкарнитин, несколько липидов и короткоцепочечных жирных кислот, таксоны Faecalibacterium, Subdoligranulum, Roseburia, Alistipes и Escherichia, некоторые из которых находятся как на метагеномном, так и на метатранскриптомном уровнях, а также регуляторы интерлейкинов49. Сети механистических ассоциаций, подобные этой, могут дать ключ к распутыванию сложной системы взаимодействий, которая приводит к хроническому воспалению при ВЗК и других системных иммунных заболеваниях, связанных с микробиомом.

Мульти-омическое профилирование при преддиабете

ПРЕДДИАБЕТ, ДИАБЕТ

Сахарный диабет 2-го типа (СД2) поражает более 10% взрослого населения США, и еще 30% проявляют ранние признаки заболевания (называемые преддиабетом)80; 70% последних разовьют диабет в течение своей жизни. СД2 характеризуется сложными взаимодействиями хозяина с микробиомом81,82, но мало что известно о системных изменениях во время преддиабета, их влиянии на биологические процессы или критическом переходе к полномасштабному СД2. Преддиабет и СД2 часто ассоциируются с инсулинорезистентностью, и поэтому исследования лиц с преддиабетом или инсулинорезистентностью открывают уникальные возможности для изучения самых ранних стадий диабета. Крайне важно создать глобальный и одновременный профиль как молекул хозяина, так и микробных молекул у людей с преддиабетом с течением времени, чтобы полностью понять молекулярные пути, которые затрагиваются у людей с преддиабетом и/или инсулинорезистентностью, и как эти условия влияют как на биологические реакции на экологические вызовы (например, вирусные инфекции83,84), так и на начало СД2.

Чтобы лучше понять СД2 на самых ранних стадиях, в рамках iHMP, интегрированного персонального проекта "Омикс" (IPOP)85 следили за 106 здоровыми и преддиабетическими лицами в течение ежеквартальных периодов здоровья, респираторной вирусной инфекции (ОРВИ) и других пертурбаций в течение примерно четырех лет51 (рис. 4). В одном таком возмущении подгруппа из 23 человек подверглась целенаправленному увеличению веса с последующей потерей веса86. В общей сложности было проведено профилирование 1092 коллекций по всем участникам. При каждом посещении кровь анализировалась на предмет молекулярного "омического" профилирования хозяина, а для микробиологического профилирования отбирались два типа образцов - мазки из носа и фекалии. Экзом каждого участника секвенировался один раз; в противном случае для каждого визита было отобрано 13 379 транскриптов из мононуклеарных клеток периферической крови, 722 метаболита и 302 белка из плазмы, а также 62 цитокина и фактора роста из сыворотки крови. Кроме того, тысячи кишечных и назальных микробных таксонов и вычислительно предсказанных генов были профилированы с использованием ампликонов 16S рРНК. Все посещения также интенсивно характеризовались 51 клиническим лабораторным исследованием. Кроме того, из-за акцента на СД2 был проведен ряд тестов на нарушение регуляции глюкозы, включая измерение уровня глюкозы натощак и гемоглобина А1с, пероральные тесты на толерантность к глюкозе и тесты на инсулинорезистентность.

Дифференциальный ответ хозяина и микробов на диетические нарушения и инфекционные заболевания у лиц с преддиабетом

Рис. 4. Дифференциальный ответ хозяина и микробов на диетические нарушения и инфекционные заболевания у лиц с преддиабетом.

Для комплексного персонального профилирования микробиома во время преддиабета за 106 пациентами проводилось наблюдение в течение четырех лет, причем пробы (в основном кровь и стул) собирались ежеквартально, а дополнительные пробы - в периоды ОРВИ и других стрессов. Геномы участников были секвенированы и измерения транскриптомов, протеомов, метаболомов и микробиомов проводились при каждом посещении, в дополнение к клиническим деталям. Инсулинорезистентные индивидуумы показали отличия от инсулино-чувствительных участников в различных измерениях, как на исходном уровне, так и в ответ на стрессы, такие как потеря веса и ОРВИ.


Исходные измерения, как правило, были стабильны у отдельных лиц, даже в течение длительных периодов времени, и лишь некоторые анализируемые вещества существенно изменялись с течением времени51. Однако многие анализы, такие как клинические лабораторные измерения, цитокиновые профили и таксоны кишечных микробов (в основном те, что имеют низкое обилие), сильно варьировали между отдельными индивидуумами. Участники, которые в конечном счете были инсулинорезистентны, имели различимые молекулярные и микробные паттерны в исходном состоянии от тех, кто был в конечном счете чувствителен к инсулину, и в рамках исследования был разработан аналит-тест, чтобы дифференцировать их. Примечательно, что люди, перенесшие ОРВИ или изменения веса, демонстрировали тысячи специфических молекулярных и микробных изменений во время этих возмущений, а инсулинорезистентные и чувствительные к инсулину люди реагировали на эти возмущения совершенно по-разному. Например, во время ОРВИ резистентные к инсулину участники продемонстрировали существенно сниженные и отсроченные воспалительные реакции (например, ответ острой фазы и передачу сигналов IL-1) и измененные микробные изменения кишечника по сравнению с чувствительными к инсулину участниками (например, у Lachnospiraceae и Rikenellaceae, но не бациллы). Соответственно, было меньше изменений в носовой микробиоте у участников, резистентных к инсулину, и как богатство, так и разнообразие носовых микроорганизмов снизились во время ОРВИ у участников, чувствительных к инсулину, но не резистентных к инсулину. Кроме того , глобальный анализ коассоциации среди тысяч профилированных молекул выявил специфические ассоциации у инсулинорезистентных индивидуумов, которые отличаются от тех, что наблюдаются у инсулиночувствительных участников, и наоборот, указывая на различные паттерны взаимодействия хозяина и микробиома в этих двух группах51.

Еще одна важная цель исследования состояла в том, чтобы оценить, как мульти–Омика микробиома хозяина и связанные с ней новые технологии могут быть использованы для лучшего управления здоровьем пациентов.  Мы обнаружили, что проведение миллионов измерений на человека с течением времени позволило раннее выявление потенциальных болезненных состояний51,87. Они включали раннее обнаружение СД2, который развивался по-разному среди участников и был лучше обнаружен при различных анализах; например, некоторые люди впервые показали измерения в диабетическом диапазоне на тестах глюкозы натощак, в то время как другие делали это на тестах гемоглобина A1c, пероральных тестах толерантности к глюкозе или даже непрерывном контроле глюкозы. Эти результаты вместе с детальной характеристикой дисрегуляции глюкозы с течением времени иллюстрируют гетерогенность развития СД2. В целом эти данные привели к микробиологически связанным, клинически действенным открытиям в области здравоохранения в ряде заболеваний в дополнение к СД2, включая метаболические заболевания, сердечно-сосудистые заболевания, гематологические или онкологические заболевания и другие области; эти признаки часто присутствовали до появления симптомов, демонстрируя способность использования больших данных, включая микробиом, для лучшего управления здоровьем человека.

Ресурсы из HMP2

В совокупности на этапах HMP1 и HMP2 было получено в общей сложности 42 терабайта мульти-омических данных, которые архивируются и хранятся в DCC (Data Coordination Center - центр координации данных) по адресу http://ihmpdcc.org, а также в общедоступных и/или контролируемых хранилищах доступа, таких как архив чтения последовательности (SRA; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra), база данных генотипов и фенотипов  (dbGaP; https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gap/), верстак Метаболомики (https://www.metabolomicsworkbench.org/) и другие. Все данные в DCC доступны для неограниченного использования, при этом подмножество метаданных проекта также передается, когда это разрешено институциональными наблюдательными советами (IRB), а также другие ограниченные данные (например, последовательности генома человека и защищенные метаданные), доступные через контролируемый доступ на dbGaP (проекты PRJNA398089, PRJNA430481, PRJNA430482, PRJNA326441, phs001719, phs000256, phs001626, phs001523 и другие). Формальные модели данных и связанные схемы отношений сущностей, созданные на всех этапах HMP, свободно доступны по адресу https://github.com/ihmpdcc/osdf-schemas. Веб-сайт DCC позволяет пользователям находить, запрашивать, искать, визуализировать и загружать данные из тысяч образцов с соответствующими метаданными. Как только пользователь определил набор файлов, условий, предметов или фенотипов, представляющих интерес, он или она может добавить этот набор в корзину для дальнейших операций. Затем файлы можно напрямую загрузить для использования на локальном сайте пользователя или в облаке. Таким образом, усилия HMP DCC проектируются в соответствии с заявленными целями NIH, чтобы сделать все данные, полученные из финансирования NIH, доступными, совместимыми и многоразовыми88. Успех этих усилий подтверждается стабильно высоким уровнем доступа пользователей к веб-ресурсам.

Комплементарные взаимодействия хозяина и микробиома

Хотя каждое из трех исследований HMP2 выявило новую биологию в своих соответствующих областях здоровья и болезней, среди них было удивительно много иммунных и экологических особенностей микробиома хозяина. Сочетание метагеномики дробовика, нецелевой метаболомики и иммунопрофилирования было особенно эффективным, поскольку во всех проектах это подмножество молекулярных измерений имело тенденцию эффективно улавливать интерпретируемые свойства хозяина и микробов, которые связаны с болезнью. И наоборот, генетические варианты, как правило, было трудно связать с микробиомом в таких небольших популяциях, которые были необходимы для того, чтобы глубоко профилировать мульти-омики с течением времени, и мы ожидаем, что секвенирование хозяев будет более полезным при интеграции в более крупные перекрестные обследования. Другим примечательным свойством было то, что, как и в большинстве исследований микробиома, изменения, происходящие внутри отдельных особей, популяций или фенотипов, часто были намного меньше, чем исходные различия между отдельными индивидуумами. Это особенно верно в отношении временных масштабов, связанных с микробиомом, для которых требовались повторные измерения с быстротой от нескольких дней до нескольких недель, чтобы зафиксировать наиболее специфические взаимодействия хозяина и микробиома. Таким образом, взаимодействие микробиома, связанного со здоровьем, может проявляться чрезвычайно разнообразно среди отдельных людей, что делает сочетание крупномасштабных популяционных обследований с внутриобъектными продольными профилями необходимым для понимания механизмов заболеваний, связанных с микробиомами.

В результате, другие аспекты взаимодействия хозяина с микробиомом были сильно локализованы и предметно-специфичны в каждом из трех исследований. Во всех трех состояниях микробные изменения и связанные с ними реакции хозяина были наиболее сильными, когда они регистрировались в то время, когда происходили изменения, и часто в ткани происхождения. Таким образом, из этих и других исследований становится ясно, что взаимодействия между хозяином и микробиомом оказывают как локальное, так и системное воздействие. Сильные локальные возмущения, инициируемые со стороны хозяина или микроба, могут индуцировать последующие пространственно-временные реакции, которые могут продолжаться во времени и/или в других тканях, предположительно с сигналами, переносимыми пространственно циркулирующими мелкими молекулами и/или временно генной регуляцией или ростом микроорганизмов, и вовлекать регуляторные цепи как с хозяином, так и с межмикробными компонентами. Таким образом, непрерывные скоординированные усилия по измерению различных свойств хозяина и микробов, участвующих в каждом состоянии, будут иметь важное значение для разработки целенаправленных и, при необходимости, персонализированных методов лечения связанных с микробиомом состояний, а также для выявления общих принципов, регулирующих взаимодействие хозяина и микробиома. Другие динамические взаимодействия, которые не были измерены во всех исследованиях, такие как первое микробное воздействие человека при рождении и последующее развитие иммунитета, также могут представлять собой ключевые факторы, влияющие на базовую персонализацию микробиома и помогающие объяснить связанную с болезнью динамику, основанную на событиях, имевших место годами или даже десятилетиями ранее.

Следующие шаги в мульти-омике микробиома

Коллективные результаты проектов NIH HMP, наряду со многими другими исследованиями, показывают, что микробиом является неотъемлемым компонентом биологии человека, играющим важную роль в здоровье и благополучии. Межиндивидуальная изменчивость и очень разнообразные ответы хозяин-микробиом с течением времени привели к разработке новых методов исследования популяционного микробиома с использованием множественных, дополнительных продольных измерений, а также подчеркивали необходимость дополнения таких исследований механистическими моделями для подтверждения причинных ассоциаций. Успешное закрытие самой программы HMP оставило прочное наследие нескольких научных поколений обученных исследователей микробиома человека; обеспечило сообщество богатыми данными, аналитическими и биоспецифическими ресурсами, а также предоставило возможность NIH и другим финансирующим учреждениям продолжать работу в широком диапазоне связанных с микробиомом состояний89. Финансирование науки о микробиомах, человека и других, в настоящее время координируется между центрами и институтами NIH (https://www.niaid.nih.gov/research/trans-nih-microbiome-working-group), а также многими др. государственными учреждениями и частными организациями.  По мере того, как запускаются комплексные глобальные проекты по изучению аспектов персонализированной медицины, становится очевидным, что включение компонентов, ориентированных на воздействие микробиома человека, является информативным.

Как и в любом крупном исследовании, HMP2 вызвал больше новых вопросов, чем дал ответов. Этиология исходных межиндивидуальных различий в микробиоме и его динамических изменений с течением времени не были очевидны даже из широкого диапазона типов измерений, включенных в эти три исследования и популяции. Многие иммунные и биохимические реакции, по-видимому, связаны со специфическими штаммами, которые уникальны для одного или нескольких индивидуальных хозяев, но неясно, являются ли такие штаммы достаточными или необходимыми для их ассоциированных фенотипов заболеваний. Было выявлено несколько механизмов, с помощью которых сигналы в кишечнике могут передаваться системным состояниям, таким как диабет, но не специфическим малым молекулам или подмножествам иммунных клеток, с помощью которых они, вероятно, будут передаваться - особенно в других состояниях здоровья, которые еще не были изучены столь подробно. Наконец, каждое исследование HMP2 обязательно проводилось в пределах географически и генетически ограниченной популяции, и глобальные различия в ранних жизненных событиях, воздействии инфекционных заболеваний или диете могут изменить то, как динамика микробиома вносит свой вклад в развитие болезни человека. Микробиология, связанная с человеком, теперь явно простирается за пределы инфекционных и желудочно-кишечных заболеваний в области, едва мыслимые несколько десятилетий назад, включая метаболизм, неоплазию, здоровье матери и ребенка и функции центральной нервной системы. По мере того как NIH HMP подходит к концу, становится ясно, что его результаты выявили множество новых направлений исследований и технологий для будущих исследований, и мы с нетерпением ожидаем новых открытий, основанных на ресурсах программы и захватывающих находках, которые еще предстоит сделать.

Литература к разделу «Интегративный Проект Микробиом Человека»


Дополнительная информация
num-8_color

ВИДЕОЛЕКЦИЯ О МИКРОБИОМЕ

Рассказывает Константин Северинов - доктор биологических наук, заведующий лабораторией регуляции экспрессии генов элементов прокариот Института молекулярной генетики РАН, заведующий лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов Института биологии гена РАН, профессор Университета Ратгерса (США), профессор Сколковского института науки и технологий (SkolTech)

Константин Северинов:

"Самый большой орган в нашем организме не печень и не мозг, а микробы, которые образуют т.н. микробиом…" (видео→)

к.б.н. Дмитрий Алексеев

"Микробиота кишечника и заболевания" (видео→)

Другие видеолекции к.б.н. Дмитрия Алексеева см. по ссылкам:

Микробиота кишечника (к.б.н. Дмитрий Алексеев)

Пробиотики и пребиотики (к.б.н. Дмитрий Алексеев)

Школа Ферментации с Анной Дроздовой и Дмитрием Алексеевым

Примечание:

Следует отметить, что большинство предлагаемого здесь материала рассказывает об исследовании микробиома (в т.ч. в свете его связи с патологиями) без учета последних достижений некоторых омических направлений в науке по изучению микроорганизмов. Для изучения микроорганизмов сегодня в основном используют четыре подхода: метагеномное - исследование ДНК (методом секвенирования), метатранскриптомное  - изучение РНК, метапротеомика - изучение белков, метаболомика - изучение метаболитов. Если метагеномика уже широко представлена в данных исследованиях, то статьи по микробиомному изучению с широким использованием метаболомики и др. омических инструментов, будут размещаться в отдельных соответствующих подразделах, обозначенных на странице  по метагеномному анализу (будут даваться ссылки - как это уже сделано по метаболомике). Также некоторый материала по микробиому представлен отдельно в разделе об иммунитете, а также в разделе о микробиомно-мозговом взаимодействии, хотя такое разделение условно (ссылки на значимые работы будут дублироваться).

Обзорные статьи об исследовании микробиома:

*Получить больше информации о понятии "микробиом" можно также из др. разделов и опубликованных статей на нашем сайте, сделав запрос в поиске по сайту


Будьте здоровы!

 

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

  1. ПРОБИОТИКИ
  2. ДОМАШНИЕ ЗАКВАСКИ
  3. БИФИКАРДИО
  4. КОНЦЕНТРАТ БИФИДОБАКТЕРИЙ ЖИДКИЙ
  5. ПРОПИОНИКС
  6. ЙОДПРОПИОНИКС
  7. СЕЛЕНПРОПИОНИКС
  8. МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
  9. ПРОБИОТИКИ С ПНЖК
  10. БИФИДОБАКТЕРИИ
  11. ПРОПИОНОВОКИСЛЫЕ БАКТЕРИИ
  12. ПРОБИОТИКИ И ПРЕБИОТИКИ
  13. СИНБИОТИКИ
  14. РОЛЬ МИКРОБИОМА В ТЕРАПИИ РАКА
  15. АНТИОКСИДАНТНЫЕ СВОЙСТВА
  16. АНТИОКСИДАНТНЫЕ ФЕРМЕНТЫ
  17. АНТИМУТАГЕННАЯ АКТИВНОСТЬ
  18. МИКРОФЛОРА КИШЕЧНОГО ТРАКТА
  19. МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА
  20. МИКРОФЛОРА И ФУНКЦИИ МОЗГА
  21. ПРОБИОТИКИ И ХОЛЕСТЕРИН
  22. ПРОБИОТИКИ ПРОТИВ ОЖИРЕНИЯ
  23. МИКРОФЛОРА И САХАРНЫЙ ДИАБЕТ
  24. ПРОБИОТИКИ и ИММУНИТЕТ
  25. МИКРОБИОМ И АУТОИММУННЫЕ БОЛЕЗНИ
  26. ПРОБИОТИКИ и ГРУДНЫЕ ДЕТИ
  27. ПРОБИОТИКИ, БЕРЕМЕННОСТЬ, РОДЫ
  28. ДИСБАКТЕРИОЗ
  29. ВИТАМИННЫЙ СИНТЕЗ
  30. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СИНТЕЗ
  31. АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА
  32. СИНТЕЗ ЛЕТУЧИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
  33. СИНТЕЗ БАКТЕРИОЦИНОВ
  34. ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
  35. АЛИМЕНТАРНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
  36. ПРОБИОТИКИ ДЛЯ СПОРТСМЕНОВ
  37. ПРОИЗВОДСТВО ПРОБИОТИКОВ
  38. ЗАКВАСКИ ДЛЯ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
  39. НОВОСТИ

влево