El intercambio de genes entre las bacterias intestinales está relacionado con la industrialización
ARRIBA: Un miembro de Global Microbiome Conservancy procesa muestras de microbiomas en Tanzania. CONSERVACIÓN GLOBAL DEL MICROBIOMA / FOTO DE C. CORZETT
La frecuencia del intercambio de genes entre los microbios en el intestino de una persona está relacionada con el tipo de sociedad en la que vive esa persona, según un gran estudio internacional publicado hoy (marzo 31) en Cell.
Los investigadores analizaron el ADN bacteriano para identificar casos recientes de transferencia horizontal de genes (HGT), un proceso que permite que las células individuales mezclen sus genomas y adquirir nuevas funciones de otros insectos en la comunidad microbiana sin tener que reproducirse. El equipo encontró que las especies en el intestino frecuentemente intercambian material genético, y que lo hacen más si viven dentro de personas en sociedades industrializadas o urbanas que si sus anfitriones residen en entornos rurales o menos desarrollados.
Lo que es novedoso y realmente impresionante aquí es el uso de equipos de secuenciación del genoma completo para estudiar miles de genomas bacterianos individuales, dice la científica de datos de Gladstone Institutes Katie Pollard, que no participó en el estudio. Si bien los resultados en sí mismos no son inesperados dados los hallazgos de trabajos anteriores sobre HGT e industrialización en el contexto del microbioma humano, este documento lo reúne todo y lo confirma de una manera más rigurosa.
Vemos una tendencia clara de aumento de la frecuencia de la transferencia horizontal de genes de zonas rurales no industrializadas a zonas urbanas industrializadas.
Mathieu Groussin, MIT
La composición y Se sabe que la diversidad del microbioma intestinal está ligada al entorno y al estilo de vida de una persona. Varios estudios han demostrado que las personas que viven en sociedades más industrializadas tienden a tener microbiomas menos diversos, por ejemplo, y un estudio de 2018 encontró que las personas que emigraron a los EE. UU. desde el sudeste asiático mostraron una disminución en la diversidad de microbiomas dentro del año de la llegada. de ese estudio y otros investigadores han sugerido que podría estar relacionado con resultados de salud adversos en estas personas.
Ver Gut Microbiomes Lose Diversity with Immigration: Study
La mayoría de estos estudios se han sobre la variación en la abundancia de especies bacterianas particulares. En cambio, el microbiólogo del MIT, Eric Alm, estaba interesado en el papel de HGT en la configuración de los genomas de especies bacterianas individuales en el microbioma intestinal humano.
En el estudio actual, Alm y sus colegas se sumergieron en datos de Global Microbiome Conservancy ( GMbC), una organización sin fines de lucro creada en 2016 por varios autores del nuevo artículo. A través del GMbC, que trabaja con investigadores de todo el mundo, el equipo cultivó, aisló y secuenció más de 4000 cepas bacterianas de muestras de heces de 37 personas en 14 poblaciones.
Sitios y poblaciones que aportaron datos al estudioM. GROUSSIN ET AL., cell, doi:10.1016/j.cell.2021.02.052, 2021
Los investigadores combinaron este conjunto de datos con datos de 11 personas que viven en el noreste de EE. UU. y luego calificaron cada población industrializada o no (según la definición del Índice de Desarrollo Humano de las Naciones Unidas) y urbana o rural (medida por la densidad de población), explica la coautora del estudio Mathilde Poyet, microbióloga en el laboratorio Alms y cofundadora de GMbC. Las personas de la Finlandia ártica, por ejemplo, se clasificaron como industrializadas rurales, mientras que las personas que vivían en ciudades de Camerún o Nigeria se clasificaron como no industrializadas urbanas.
Para detectar HGT en la microbiota intestinal de los participantes, Poyet y sus colegas buscaron para secuencias largas de 10.000 o más nucleótidos de ADN que compartían pares de especies bacterianas. Debido a que las altas tasas de mutación en las bacterias generalmente conducen a la divergencia entre el ADN de diferentes especies con bastante rapidez, tales secuencias compartidas sugieren un intercambio de genes reciente.
Los investigadores compararon la cantidad de secuencias compartidas por pares de especies bacterianas dentro de una sola microbioma de personas a la cantidad de secuencias compartidas por los mismos pares de especies a través de microbiomas que pertenecen a diferentes personas, y descubrió que el primero era mucho más alto, proporcionando más evidencia de que las bacterias estaban intercambiando muchos genes dentro de las entrañas de personas individuales.
Al observar el conjunto de datos en su conjunto, los investigadores encontraron que los microbiomas de las personas de poblaciones más industrializadas y/o más urbanas tenían las tasas más altas de intercambio de genes, dice el coautor del estudio Mathieu Groussin, microbiólogo en el laboratorio Alms y cofundador. de la GMBC. Potencialmente, el efecto es más fuerte para la industrialización, pero eso merece más investigación, dice. Lo que podemos concluir con certeza, en base a estos datos, es que ambos factores son importantes y vemos una tendencia clara de mayor frecuencia de transferencia horizontal de genes de zonas rurales no industrializadas a zonas urbanas industrializadas.
Razones para el aumento de genes intercambio poco claro
Los datos indican que la HGT elevada es impulsada por especies microbianas individuales que participan en más intercambio de genes en microbiomas industrializados y/o urbanos que esas mismas especies en microbiomas rurales no industrializados, explica Groussin. Es decir, no es simplemente un efecto secundario de que las poblaciones industrializadas contengan especies particulares que comparten más.
El miembro del consorcio Shani Sigwazi presenta la misión de la iniciativa Global Microbiome Conservancy a los miembros de su aldea natal Hadza en Tanzania. GLOBAL MICROBIOME CONSERVANCY / FOTOGRAFÍA DE C. CORZETTGlobal Microbiome Conservancy, cofundador de Mathieu Groussin, procesa muestras de microbioma en un laboratorio improvisado durante una excursión en Tanzania. CONSERVACIÓN GLOBAL DEL MICROBIOMA / FOTO DE C. CORZETT
Pollard, cuyo equipo estudia la HGT con enfoques metagenómicos, señala que no está claro en el estudio qué podría causar que las bacterias compartan más en entornos particulares. Los datos del estudio revelan una relación positiva entre la abundancia de una especie y sus tasas de HGT, dice, por lo que el resultado puede explicarse en parte porque los microbiomas industrializados son menos diversos y tienen menos especies con abundancias relativas más altas que, a su vez, comparten más genes. p>
Otra hipótesis que los investigadores consideran en su artículo, que se publicó como preimpresión el año pasado, es que los aspectos específicos de los estilos de vida industrializados favorecen la HGT. Alm especula que las personas en las sociedades industrializadas pueden estar expuestas a una diversidad más amplia de otras personas en términos de contenido de microbioma intestinal, y que esta exposición podría promover un mayor intercambio de genes en el intestino. Otros contribuyentes potenciales podrían incluir dietas u otros factores de estilo de vida que influyen en el microambiente del tracto digestivo.
Un microbioma adecuado para el estilo de vida del huésped
Muchas de las secuencias compartidas que identificó el equipo todavía funciones desconocidas. Pero al centrarse en los genes para los que se conoce una función, el equipo encontró varios indicios de adaptación microbiana a estilos de vida particulares del huésped.
Por ejemplo, muchos de los microbiomas que estudió el equipo habían intercambiado genes de resistencia a los antibióticos, pero esto fue particularmente evidente en los intestinos de la población Datoga en la zona rural de Tanzania, que recientemente comenzó a usar antibióticos en su ganado, especialmente tetraciclina, dice Groussin. Vemos muchos genes de resistencia a los antibióticos involucrados en el metabolismo de las tetraciclinas que se intercambian entre las bacterias en su microbioma intestinal.
Los microbiomas de las cohortes no industrializadas intercambiaban regularmente genes involucrados en el metabolismo de los carbohidratos, lo que podría reflejar la dependencia de estas sociedades en alimentos ricos en carbohidratos complejos como frutas y verduras frescas. Y en comparación con los microbiomas no industrializados, los microbiomas industrializados intercambiaron más genes involucrados en la virulencia bacteriana, un hallazgo que podría tener implicaciones clínicas, dice Groussin.
La cofundadora de Global Microbiome Conservancy, Mathilde Poyet, cultiva y aísla cepas bacterianas del intestino humano en una cámara anaeróbica. CONSERVACIÓN GLOBAL DEL MICROBIOMA / FOTO DE JUSTIN KNIGHT
Es solo un montón de trabajo lo que han hecho aquí, dice Justin Sonnenburg, un microbiólogo de la Universidad de Stanford que no participó en el estudio. En particular, ver este trabajo ampliado a una mayor diversidad de personas en todo el mundo es muy emocionante. El camino. Él y su colega y socia de Stanford, Erica Sonnenburg, han teorizado que los cambios en la microbiota intestinal inducidos por la industrialización podrían contribuir a la aparición de diabetes y otras enfermedades no transmisibles comunes en muchas sociedades industrializadas.
Conjuntos de datos como el Los GMbC, que contienen montones de datos genómicos de bacterias intestinales, abren nuevas oportunidades para estudiar estas y otras relaciones entre el medio ambiente, el microbioma y la salud humana, dice. Tener estos microbios a mano realmente permitirá este gran salto hacia la siguiente fase de la investigación del microbioma.
Para Alm, el último estudio es un recordatorio de la enorme flexibilidad de los genomas bacterianos. A medida que los investigadores trabajan para manipular el microbioma humano, creo que debemos poder comprender el sistema de manera más integral, dice Alm, y agrega que el microbioma es mucho más que una lista de todas las especies que contiene. Gracias a procesos como HGT, cuando junta [microbios] en un ecosistema, esos genomas ya no están separados, dice. No son independientes.
M. Groussin et al., Elevated rates of horizontal gene transfer in the industrialized human microbiome, Cell, doi:10.1016/j.cell. 2021.02.052, 2021.