آشکار کردن تأثیر جهانی آنها بر سلامت

مطالعات متعددی اهمیت میکروب های روده را در حفظ سلامت انسان نشان داده است. این میکروب‌ها همچنین با فرآیندهای فیزیولوژیکی اساسی مانند پیری، پاسخ دارویی، تغذیه، و وضعیت‌های پاتوفیزیولوژیک (به عنوان مثال، بیماری‌های قلبی عروقی، متابولیک، انکولوژیک، عصبی و خودایمنی) مرتبط هستند. برای درک بهتر اثرات علی بین میکروب‌های روده و پیامدهای بیماری، شناسایی با وضوح بالا میکروب‌ها در روده انسان برای تدوین مداخلات مؤثر برای پیشگیری یا درمان بیماری‌ها ضروری است.

مطالعه: بازسازی چشم انداز گونه های میکروبی روده در 29000 فرد مختلف. اعتبار تصویر: SciePro / Shutterstock

زمینه

تکنیک توالی تفنگ شاتگان کل ژنوم (WGS) را می توان برای نقشه برداری گونه های میکروبی استفاده کرد. با این حال، این تکنیک به پوشش توالی عمیق و کار محاسباتی گسترده نیاز دارد، که از کاربرد آن در نمونه‌های مقیاس جمعیتی شامل ده‌ها هزار نفر جلوگیری می‌کند.

میکروبیوم‌های انسانی در جمعیت‌های مختلف را می‌توان با استفاده از تکنیک توالی‌یابی آمپلیکون 16S مورد مطالعه قرار داد. این تکنیک از PCR برای تقویت و تعیین توالی نواحی متغیر ژن های 16S rRNA باکتریایی استفاده می کند. داده های توالی آمپلیکون از طریق خطوط لوله رایج مانند Mothur، QIIME2 و DADA2 همراه با بازسازی محاسباتی پردازش می شوند. یک تخصیص طبقه بندی با ساخت یک درخت فیلوژنیک با استفاده از پایگاه های داده مانند Greengenes، RDP و SILVA انجام می شود.

تکنیک توالی یابی 16S به تشخیص تغییرات در تنوع میکروبی در فنوتیپ های انسانی کمک می کند. نکته مهم، شناسایی اجزای حیاتی ژنوم انسان در سطح خانواده یا جنس است. با این حال، این تکنیک قادر به تمایز میکروب ها در سطح گونه های ظریف تر نیست، که برای آن نمی توان برای نقشه برداری توالی های میکروبی در سطح گونه استفاده کرد.

پیشرفت در تکنیک های توالی یابی مولکولی منجر به افزایش تصاعدی در دسترس بودن جدایه های میکروبی روده کاملاً توالی شده شده است. بیش از یک ژن 16S در ژنوم چندین سویه میکروبی وجود دارد که تنوع تعداد کپی مناطق فوق متغیر 16S را نشان می دهد. با در نظر گرفتن این یافته‌ها، یک مطالعه اخیر این فرضیه را مطرح کرد که این تنوع میکروبی می‌تواند برای شناسایی تمایز دقیق‌تر داده‌های آمپلیکون 16S در نظر گرفته شود. این نگاشت سطح کرنش را ممکن می کند، که قبلا امکان پذیر نبود.

یک مطالعه جدید

اخیرا تحقیقات اسیدهای نوکلئیک این مطالعه یک پایگاه داده نقشه برداری دقیق (RExMap) مبتنی بر مرجع از انواع منطقه هایپرمتغیر 16S و شماره کپی آنها ایجاد کرد. این پایگاه داده از بیش از 170000 ژنوم سویه های جدا شده میکروبی به دست آمده از پایگاه داده ژنوم NCBI مشتق شده است. این مطالعه از پایگاه داده RExMap برای نقشه برداری از میکروب ها در سطح گونه استفاده کرد.

بسیاری از سویه های میکروبی پایگاه داده RExMap دارای مناطق فوق متغیر 16S و اعداد کپی هستند. آنها اصطلاح “واحد کرنش عملیاتی” (OSU) را برای سویه هایی معرفی کردند که نمی توان آنها را تنها بر اساس مناطق فوق متغیر 16S متمایز کرد. جالب توجه است که OSU ها نه تنها دارای سویه های میکروبی مرتبط هستند بلکه میکروب های دوردست از نظر فیلوژنتیکی نیز دارند که می تواند به دلیل انتقال افقی ژن ژن 16S یا انتساب طبقه بندی نادرست باشد.

RExMap توالی‌هایی را از نمونه‌های بیولوژیکی پیوند می‌دهد تا دقیقاً با سویه‌های میکروبی مطابقت داشته باشد و به اعتبارسنجی تجربی کمک کند. علاوه بر این، می تواند داده های 16S موجود را با متاآنالیزهای در مقیاس بزرگ و همگن سازی داده های توالی یابی مجدداً تحلیل کند. این رویکرد توسعه یک چشم انداز دقیق از میکروبیوم روده انسان را قادر ساخته است که ده ها هزار میکروب منحصر به فرد را شامل می شود.

مطالعه حاضر از RExMap برای تجزیه و تحلیل مجدد داده‌های موجود میکروبیوم 16S روده انسان از 29349 فرد به‌دست‌آمده از ده مطالعه انجام‌شده در شانزده منطقه مختلف جهان استفاده کرد.

یافته های مطالعه

تجزیه و تحلیل RExMap از داده‌های میکروبیوم 16S توانست حدود 75 درصد از گونه‌های شناسایی شده با استفاده از WGS را در عمق کمتر از 1 درصد توالی‌یابی ثبت کند. این رویکرد از تخصیص طبقه بندی اجتناب می کند و بر تطابق دقیق یا نزدیک دنباله های آمپلیکون 16S موجود در پایگاه داده RExMap تمرکز می کند. مطالعه حاضر مشاهده کرد که میکروب های روده انسان در مناطق مختلف جهان متفاوت است. قابل ذکر است، برخی از میکروب های روده به وفور در یک منطقه خاص یافت می شوند.

یک مجموعه اصلی از پانزده میکروب مشخص شد که در همه انسان‌ها صرف نظر از منطقه جغرافیایی، ژنتیک میزبان، جمعیت‌شناسی، رژیم غذایی، محیط و سبک زندگی آنها بسیار حفاظت شده است. این میکروب ها نقش حیاتی در هموستاز متابولیک میزبان دارند. به طور معمول، میکروب های اصلی خود را در روده نوزادان مستقر می کنند و در طول زندگی با فراوانی متفاوت باقی می مانند. شیوع و فراوانی میکروب‌های اصلی از طریق یک رویکرد مبتنی بر نمایه‌سازی کل ژنوم، یعنی WGS و Kraken2 تأیید شد.

چندین میکروب متعلق به گروه Bacteroidetes مانند Prevotella copri و Bacteroides گونه‌ها با یک منطقه خاص مرتبط نبودند. یوباکتریوم رکتال و Faecalibacterium prausnitzii دو میکروب اصلی هستند که با یک وضعیت بیماری خاص مرتبط هستند. اسیلوباکتر sp. ER4، Fusicatenibacter saccharivorans، بلاوتیا فاسیس، Romboutsia timonensis، و Anerostipes hadrus میکروب های اصلی هستند که با فیزیولوژی میزبان مرتبط هستند.

نتیجه گیری

تجزیه و تحلیل مبتنی بر RExMap دارای محدودیت‌های متعددی است، از جمله کاهش ظرفیت نقشه‌برداری از گونه‌های میکروبی موجود در سوله‌های با سویه‌های کم، مانند اکوسیستم‌های آبی و خاکی. علاوه بر این، در نقشه برداری میکروب هایی که فاقد 16S کامل یا توالی ژنومی هستند، محدودیت وجود دارد. با این حال، پایگاه داده RExMap به طور مداوم توسط کاربران نهایی با افزودن ژنوم های میکروبی جدید مطابق با در دسترس بودن، به روز می شود.

مطالعه حاضر به این نتیجه رسید که میکروب های روده انسان بین مناطق غربی و غیرغربی جدا می شوند. گونه‌ها و سویه‌های میکروبی متمایز شناسایی شدند که مختص مناطق جغرافیایی خاص هستند. علاوه بر این، مجموعه‌ای از میکروب‌های اصلی در سطوح گونه‌ای که معمولاً بین انسان‌ها مشترک است، مستقل از سبک زندگی، محیط، یا مناطق جغرافیایی کشف شد. این میکروب ها معمولاً در بدو تولد ایجاد می شوند و با متابولیسم تغذیه ای مرتبط هستند.