Внимательно наблюдая и анализируя виром одного человека в течение двух с половиной лет, исследователи из Медицинской школы Перельмана при Университете Пенсильвании под руководством профессора микробиологии Фредерика Д. Бушман, Ph.D., открыли некоторые важные новые идеи о том, как вирусная популяция может изменяться и развиваться — и почему виром одного человека может так сильно отличаться от вирома другого. Эволюция и разнообразие вирома могут влиять на восприимчивость и устойчивость к болезням среди людей, наряду с различной эффективностью лекарств.
Их работа была опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Большая часть вирома состоит из бактериофагов, вирусов, которые заражают бактерии, а не напрямую атакуют их человеческих хозяев.
Однако изменения, которые бактериофаги наносят бактериям, также могут в конечном итоге повлиять на человека.
«Бактериальные вирусы — хищники бактерий, поэтому они формируют свою популяцию», — говорит Бушман. «Бактериальные вирусы также переносят гены токсинов, факторов вирулентности, которые изменяют фенотип их бактериального хозяина."Таким образом, невинная, доброкачественная бактерия, живущая внутри тела, может быть превращена вторжением вируса в опасную угрозу.
В 16 временных точках в течение 884 дней Бушман и его команда собрали образцы стула у здорового мужчины и извлекли вирусные частицы, используя несколько методов. Затем они выделили и проанализировали контиги ДНК (смежные последовательности) с помощью сверхглубокого секвенирования генома .
«Мы собрали необработанные данные о последовательностях, чтобы получить полные и частичные геномы, и проанализировали, как они изменились за два с половиной года», — объясняет Бушман.
В результате была получена самая длинная и обширная картина работы человеческого вирома.
Исследователи обнаружили, что, хотя примерно 80 процентов идентифицированных типов вирусов оставались в основном неизменными в ходе исследования, некоторые виды вирусов со временем изменились настолько существенно, что, как отмечает Бушман, «можно сказать, что мы наблюдали события видообразования."
Это особенно верно в отношении группы Microviridae, которые представляют собой бактериофаги с однонитевыми кольцевыми ДНК-геномами.
Несколько генетических механизмов привели к изменениям, включая замену основных химических веществ; создающие разнообразие ретроэлементы, в которых ферменты обратной транскриптазы вносят мутации в геном; и CRISPR (кластерные короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками), в которых фрагменты последовательностей ДНК бактериофагов включены в качестве спейсеров в геномы бактерий.
Такая быстрая эволюция вирома была, пожалуй, самым удивительным открытием для исследовательской группы.
Бушман отмечает, что «у разных людей в кишечнике довольно разные бактерии, поэтому вирусные хищники этих бактерий тоже разные. Однако еще одна причина, по которой люди так отличаются друг от друга с точки зрения своего вирома, подчеркивается в этой статье, заключается в том, что некоторые вирусы, попавшие внутрь человека, очень быстро меняются. Таким образом, часть вирусного сообщества диверсифицируется и становится уникальной для каждого человека."
Поскольку люди приобретают бактериальную популяцию — и сопутствующий ей виром — после рождения из пищи и других факторов окружающей среды, логично, что микробная популяция, живущая внутри каждого из нас, будет отличаться от человека к человеку. Но эта работа, по словам исследователей, демонстрирует, что еще одним важным объясняющим фактором является постоянная эволюция вирома в организме.
Этот факт имеет важное значение для различий в восприимчивости и устойчивости к болезням у разных людей, а также для эффективности различных лекарств и других методов лечения.
Исследование было поддержано Демонстрационным проектом дорожной карты микробиома человека (UH2DK083981), Penn Genome Frontiers Institute и Центром исследований СПИДа Университета Пенсильвании (CFAR; P30 Al 045008).
Сэмюэл Минот, Александра Брайсон, Кристель Чехоуд, Гэри Д. Ву, Джеймс Д. Льюис, все из Пенсильвании, являются соавторами.