Блог ФГИ — статья на тему «Методы метагеномики и здоровье человека»

Личный кабинет

О Фонде

Карта ученых

Статьи

Новости

Направления поддержки

Государственная политика

Команда

МЕТОДЫ МЕТАГЕНОМИКИ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

Дукат Алексей Михайлович, МГУ им.Ломоносова, кафедра микробиологии

2 февраля 2024

В последнее время наука микробиология претерпела существенные изменения. Раньше объектом исследования являлся отдельный микроорганизм - бактерия или архея (древние одноклеточные без ядра, значительно отличающиеся и от бактерий и от эукариот), но в современной науке все чаще и чаще микроорганизмы рассматриваются вместе, как единое сообщество, занимающее определенную экологическую нишу и обладающее своими свойствами. Такое сообщество называется микробиомом. Рассматривать отдельную бактерию, конечно, можно, однако в природе никто не живет поодиночке, за единичными исключениями [1].

В природе такие сообщества встречаются повсеместно - например, у каждой почвы есть свой микробиом. Это пример сложной экосистемы, состоящей из множества различных микроорганизмов, включая архей, бактерий, грибов и вирусов, которые существуют, взаимодействуя друг с другом и влияя на плодородность почвы и здоровье растений. Изучение таких микробиомов может, к примеру, открыть новые способы утилизации ненужных веществ [2].

В горячих источниках у подножья вулканов есть свои микробиомы, в которых бактерии могут существовать в первозданных условиях, похожих на условия доисторической Земли [3]. Изучение таких микробиомов может пролить свет на развитие жизни на ранних этапах.

Но, разумеется, самым изученным и наиболее интересным для человечества является микробиом самих людей. По данным многочисленных исследований, микробиом человека напрямую влияет на его здоровье [4], и именно поэтому стоит обратить внимание на тех, кто непрерывно следует за нами - с рождения до самой смерти.

Микробиом в широком смысле

СОДЕРЖАНИЕ

Микробиом в широком смысле

Для кого-то ты - целый мир

Попытка заглянуть внутрь

Умножение молекул ДНК

Способы анализа микробиома

Болезни и микробиом

Сохранение баланса

По данным некоторых исследований, в организме человека обитают от 500 до 1000 известных видов бактерий [5], несколько десятков видов архей [6], а также грибы и вирусы (в особенности вирусы бактерий - бактериофаги).
Всего бактериальных клеток в нашем теле около 100 триллионов, что в три раза превышает количество собственных клеток нашего тела [7].

Для кого-то ты - целый мир

Человек для всех этих микроорганизмов является средой обитания - более того, в разных частях нашего тела живут разные виды бактерий. Микробиом кожи сильно отличается от микробиома носа или желудка - ведь на поверхность нашей кожи влияют многие факторы внешней среды. Для того, чтобы разобраться и проанализировать весь микробиом человека в 2004 году стартовал глобальный проект “микробиом человека” [8], продолжающийся и по сей день. Ученые не только проанализировали видовой состав микроорганизмов, живущих в нашем теле, но и узнали, какие изменения микробиоты могут возникнуть при воспалении ран, болезнях кишечника и диабете. Но как они это сделали?

По данным некоторых исследований, в организме человека обитают от 500 до 1000 известных видов бактерий [5], несколько десятков видов архей [6], а также грибы и вирусы (в особенности вирусы бактерий - бактериофаги).
Современным микробиологам известно, что вырастить в лаборатории можно всего около 1% всех видов бактерий. Узнать о существовании и свойствах остальных 99% помогает наука метагеномика, которая изучает не геномы отдельных микроорганизмов, а совокупности генов всех обитателей определенного природного сообщества. Мы можем узнать о некультивируемых в лаборатории микроорганизмах только по данным ДНК-секвенирования, то есть, определению последовательности нуклеотидов в составе молекулы ДНК. Именно эта последовательность несет наследственную информацию и определяет внешний вид, физиологию и биохимические свойства любого живого организма на нашей планете.Всего бактериальных клеток в нашем теле около 100 триллионов, что в три раза превышает количество собственных клеток нашего тела [7].

Попытка заглянуть внутрь

С чего начинается анализ микробиома человека? Конечно же, с выделения ДНК - для этого необходимо взять образец из места, микробиом которого нужно определить, а затем разрушить все клетки, попавшие в образец, чтобы ДНК вышла из цитоплазмы. После этого образец необходимо заморозить при низкой температуре - чтобы ДНК не разрушалась.

Сейчас широко используются стандартные наборы для выделения ДНК, они экономят время и позволяют стандартизировать процедуру для достоверного сравнения данных, полученных в разных исследованиях [9]

Для большинства методов нужно много молекул ДНК, но конкретных бактерий в образце может быть очень мало - как тогда их обнаружить? На помощь приходит метод ПЦР (полимеразная цепная реакция). Используя этот метод, нужные участки ДНК можно многократно скопировать (используя оригинальные молекулы как матрицы для синтеза новых), увеличивая число молекул ДНК для дальнейшего использования в различных методах анализа метагенома [10].

Умножение молекул ДНК

Изображение 1. Состав кишечной микробиоты, полученный секвенированием гена 16S рибосомальной РНК. Слева сверху перечислены семейства бактерий, входящие в состав микробиома кишечника. Красным цветом отмечены нормальные представители микрофлоры, зеленым - те, которые могут быть ассоциированы с наличием у пациента болезни Паркинсона.

Способы анализа микробиома

Однако, использование 16S рРНК в качестве индикатора разнообразия зачастую не позволяет различить конкретные виды из-за отсутствия у них различий в этом гене [12]. Этот метод используется для того чтобы кинуть “общий взгляд” на сообщество, но не позволяет рассматривать отдельные виды микроорганизмов.

Чтобы проанализировать все виды микроорганизмов, которые живут вместе с человеком, существует множество методов анализа ДНК:

Второй метод называется методом дробовика. В нем исследователи берут всю ДНК образца, случайно разрезают ее на маленькие фрагменты, и потом, по перекрытиям этих фрагментов, восстанавливают исходную последовательность ДНК. Связано это с тем, что небольшие последовательности ДНК гораздо легче секвенировать, и с ними в целом проще работать. Это напоминает мозаику, которую необходимо правильно собрать по кусочкам для получения целостной картины.

Первый и самый простой из методов метагеномики - секвенирование гена 16S рибосомальной РНК (16S рРНК). Этот конкретный ген присутствует во всех живых организмах. Ген 16S рРНК изменялся в ходе эволюции, и у каждого семейства живых существ он индивидуален - его можно сравнить со штрих-кодом, считав который, можно узнать какие семейства бактерий и архей встречаются в образце - например, в желудке человека [11].

Метод дробовика позволяет охватить весь геном многочисленных микроорганизмов, понять, какие процессы они могут осуществлять и даже предположить пути метаболических взаимодействий между разными членами микробиома. Однако собрать геномы “по кусочкам” - сложная задача, с которой справляется специальное программное обеспечение, и существует довольно высокая вероятность ложных предсказаний и появления неправильно собранных геномов из отдельных фрагментов [13].

Помимо основных, наиболее распространенных методов существуют и более экзотические - например, метод секвенирования одной большой молекулы ДНК - Nanopore [14], или метод FISH [15], позволяющий в прямом смысле увидеть участок ДНК, кодирующий определенный ген. В настоящий момент существуют множество методов, позволяющих заглянуть внутрь человеческого микробиома, и они совершенствуются, позволяя открывать новые виды и анализировать метаболические связи в этих сложных сообществах.

Знать о сотнях видов, населяющих наш организм, это, конечно, здорово - но есть ли практическая польза от этих знаний? Однозначно есть, ведь многие болезни можно диагностировать путем анализа микробиома, и некоторые из них, в теории, можно даже вылечить, модифицируя состав сообществ микроорганизмов, живущих в нашем теле.

Болезни и микробиом

Рассмотрим наиболее изученный микробиом нашего тела - микробиом кишечника. В нем микроорганизмы преобразуют неперевариваемые углеводы в короткоцепочечные жирные кислоты [16], трансформируют их в другие метаболиты и конкурируют с патогенными бактериями, подавляя их рост [17]. Более того, микробиом кишечника помогает иммунитету хозяина правильно работать [18]. Например, уменьшение микробного разнообразия или полное отсутствие кишечной микробиоты нарушает функционирование иммунной системы
[19] и снижает способность извлекать энергию из пищи [20]. Поэтому так важно упортеблять в пищу продукты с пищевыми волокнами, которые увеличивают количество естественных для человеческой микрофлоры бактерий [21].

Еще более интересна связь микробиоты кишечника с мозгом. Дело в том, что желудочно-кишечный тракт является крупнейшим эндокринным органом млекопитающих, секретирующим десятки различных сигнальных молекул, включая молекулы пептидной природы. Кишечные пептиды, попадая в кровь, могут связывать родственные рецепторы на иммунных клетках и окончаниях блуждающего нерва, тем самым обеспечивая связь кишечника с мозгом.

Оказалось, что бактерии в нашем кишечнике могут выделять молекулы пептидной природы, обладающие теми же свойствами [22].
Это приводит к мысли о том, что нарушения в нормальном составе микробиоты могут привести к заболеваниям нервной системы - и это было обнаружено (правда, у мышей, однако высока вероятность существования подобной связи и у людей) [23].
Имеются даже сведения о том, что пересадка кишечной микробиоты способна вызвать симптомы аутизма у мышей, [24] и эти недавние открытия показывают, что связь микробиоты кишечника с мозгом может быть гораздо более важной, чем мы привыкли считать.

Что насчет микробиома других частей человеческого тела? Известно, что нарушение баланса микробиома кожи и уменьшение его разнообразия ведет к атопическому дерматиту и прочим кожным заболеваниям [25], [26]. Дело в том, что в норме микробиота кожи колонизирует поверхность человеческого тела, занимая определенные экологические ниши и защищают свою среду обитания от конкурентов. Если разнообразие падает, патогенные бактерии могут начать доминировать, что приводит к воспалению и прочим неприятным симптомам [27]. Так же обстоят дела и с микробиомом рта - при нарушении баланса могут развиваться симптомы пародонтоза из-за доминирования одних групп микроорганизмов над другими [28].

В целом, эпоха метагеномики началась относительно недавно. Она начала активно развиваться лишь в 2002 году, и метагеномика активно развивается и по сей день. В данный момент существует множество проектов и исследований, однако получение полной информации о микробиоме определенного организма требует затраты огромных усилий, даже несмотря на удешевление технологии секвенирования ДНК.

Сохранение баланса

Результаты подобных исследований показывают, что не стоит недооценивать микроорганизмы, живущие рядом с нами - они могут напрямую влиять на наше здоровье и самочувствие. Каждый организм - это сложная цепь взаимодействий между всеми его составляющими, и при изучении того, как работает тело человека, необходимо учитывать все возможные аспекты, включая его обитателей.

Список литературы

ПОДЕЛИТЕСЬ В СОЦСЕТЯХ!

ЭТА СТАТЬЯ В НАШЕМ ТЕЛЕГРАМ-КАНАЛЕ

Мессенджеры

Отправляйте нам! Узнайте подробнее в мессенджерах или напишите нам на сайте

Задать вопрос на сайте

НАПИСАТЬ НАМ

У ВАС ЕСТЬ МАТЕРИАЛЫ, КОТОРЫМИ ВЫ ХОТЕЛИ БЫ ПОДЕЛИТЬСЯ?