Микробиом, или микробиота, или микрофлора человека состоит из всего набора микроорганизмов, которые живут в организме и на теле. На самом деле, внутри нашего организма в 10 раз больше бактерий, чем на коже. Изучение микробиома человека охватывает совокупность всех микробов и геномы микробных сообществ организма человека.
Эти микробы находятся в разных местах экосистемы человеческого тела и выполняют важные функции, необходимые для нашего здоровья. Например, кишечные бактерии позволяют нам правильно переваривать и поглощать питательные вещества из продуктов, которые мы употребляем в пищу.
Генная активность полезных микробов, которые колонизируют организм, воздействует на физиологию человека и защищает от . Нарушение надлежащей активности микробиома связано с развитием ряда аутоиммунных заболеваний, включая диабет и фибромиалгию.
Микробиом человека
Микроскопические организмы, которые обитают в организме, включают археи, бактерии, грибы, протисты и вирусы. Микробы начинают колонизировать наш организм с момента рождения. Микробиота человека изменяется по количеству и типу микроорганизмов на протяжении всей жизни, причем число видов увеличивается с рождения до взрослого возраста и уменьшается в пожилом возрасте. Эти микробы уникальны от человека к человеку и могут быть затронуты определенными видами деятельности, такими как мытье рук или принятие антибиотиков. Бактерии являются самыми многочисленными микроорганизмами в микробиоме человека.
Микробиом человека также включает микроскопических животных, таких как клещи. Эти крошечные членистоногие обычно колонизируют кожу.
Микробиом кожи
Кожа человека заселена рядом различных микроорганизмов, которые обитают на поверхности кожи, а также в железах и волосах. Наша кожа находится в постоянном контакте с внешней средой и служит первой линией защиты организма от потенциальных . Микробиота кожи помогает предотвратить колонизацию кожи патогенами. Она также помогает тренировать нашу иммунную систему, предупреждая иммунные клетки о наличии патогенов и инициируя иммунный ответ.
Экосистема кожи человека очень разнообразная, с различными слоями кожи, уровнями кислотности, температурой, толщиной и воздействием солнечного света. Таким образом, микробы, которые обитают в определенном месте на коже или внутри нее, отличаются от микробов в других частях тела. Например, микроорганизмы, населяющие влажные и горячие части тела (под мышки), отличаются от тех, которые колонизируют сухие, более холодные поверхности кожи на руках и ногах. Комменсальные микроорганизмы, которые обычно населяют нашу кожу, включают бактерий, вирусы, грибы и микроскопических животных, таких как клещи.
Бактерии, колонизирующие кожу, процветают в одном из трех типов кожи: жирной, влажной и сухой. Три основных вида бактерий, населяющих эти типы кожи включают: пропионовокислые бактерии (Propionibacterium ) - обнаруженные преимущественно на жирных участках; коринебактерии (Corynebacterium ) - обнаруженные во влажных областях; стафилококки (Staphylococcus ) - населяющие сухие участки.
Хотя большинство этих видов бактерий не являются опасными, они могут стать вредными для человека при определенных условиях. Например, пропионибактерии акне (Propionibacterium acnes ) живут на жирных поверхностях кожи, таких как лицо, шея и спина. Когда организм вырабатывает избыточное количество жира, эти бактерии размножаются с высокой скоростью, что может привести к развитию акне. Другие виды бактерий, например, золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus ) и стрептококк пиогенес (Streptococcus pyogenes ), могут вызывать более серьезные проблемы, такие как септицемия и ангина.
Не так много известно о комменсальных вирусах кожи, поскольку исследования в этой области пока немногочисленны. Было обнаружено, что вирусы находятся на поверхностях кожи, сальных железах и внутри бактерий кожи.
Виды грибков, которые колонизируют кожу человека, включают кандидоз (Candida ), малассезия (Malassezia) , криптококк (Cryptocoocus ), дебариомицес (Debaryomyces ) и микроспория (Microsporum ). Как и в случае с бактериями, грибки размножаются с необычайно высокой скоростью и могут вызывать проблемные состояния и заболевания. Грибки малассезия способны вызывать перхоть и атопическую экзему.
Микроскопические животные, населяющие кожу, включают клещей. Например, клещи демодекс (Demodex ) колонизируют лицо и живут внутри волосяных фолликулов. Они питаются кожным жиром, мертвыми клетками и даже некоторыми бактериями.
Микробиом кишечника
Микробиом кишечника человека отличается разнообразием и численностью. Он включает триллионы бактерий с тысячами различных видов. Эти микробы процветают в суровых условиях кишечника и активно участвуют в поддержки пищеварения, нормального метаболизма и надлежащей иммунной функции. Они помогают в переваривании неперевариваемых углеводов, метаболизме желчных кислот и лекарств, а также в синтезе аминокислот и многих витаминов.
Несколько кишечных микроорганизмов продуцируют противомикробные вещества, которые защищают нас от патогенных бактерий. Состав кишечной микробиоты уникален для каждого человека и постояно меняется. Он изменяется с такими факторами, как возраст, смена рациона, воздействие токсических веществ (антибиотики) и изменения в состоянии здоровья. Отклонения в составе комменсальных микроорганизмов кишечника связывают с развитием желудочно-кишечных заболеваний, таких как воспалительные заболевание кишечника, целиакия и синдром раздраженной толстой кишки.
Подавляющее большинство бактерий (около 99%), которые обитают в кишечнике, в основном состоят из двух типов: бактероиды (Bacteroidetes ) и фирмикуты (Firmicutes ). Примеры других типов бактерий, обнаруженных в кишечнике, включают протеобактерии (например, эшерихии (Escherichia ), сальмонеллы (Salmonella ) и вибрионы (Vibrio )), актинобактерии (Actinobacteria ) и мелаинабактерии (Melainabacteria ).
Микробиом кишечника также содержит археи, грибы и вирусы. Самые распространенными археями в кишечнике являются метаногены Methanobrevibacter smithii и Methanosphaera stadtmanae . Виды грибков, обитающих в кишечнике человека, включают кандидоз (Candida ), сахаромицеты (Saccharomyces ) и кладоспории (Cladosporium ). Изменения в нормальном составе кишечных грибков были связаны с развитием таких заболеваний, как болезнь Крона и язвенный колит. Наиболее распространенные вирусы в микробиоме кишечника - это бактериофаги, которые инфицируют кишечные бактерии.
Микробиом ротовой полости
Микробиом ротовой полости насчитывает миллионы микроорганизмов, существующих, как правило, в взаимовыгодных отношениях с хозяином. В то время как большинство микробов являются полезными, предотвращая ротовую полость от колонизации вредными микроорганизмами, некоторые из них могут становится патогенными при определенных условиях.
Бактерии являются наиболее многочисленными из микроорганизмов ротовой полости и включают стрептококки (Streptococcus ), актиномицеты (Actinomyces ), лактобактерии (Lactobacterium ), стафилококки (Staphylococcus ) и пропионибактерии (Propionibacterium ). Бактерии защищают себя от стрессовых условий во рту, производя липкое вещество, называемое биопленкой. Биопленка защищает бактерии от антибиотиков, других микроорганизмов, химических веществ, чистки зубов или веществ, опасных для микробов. Биопленки разных видов бактерий образуют зубную бляшку, которая прилипает к поверхностям зубов и может вызвать их разрушение.
Ротовые микробы часто взаимодействуют в интересах друг друга. Например, бактерии и грибки иногда сосуществуют в отношениях, которые могут нанести вред хозяину. Бактерия стрептококк мутанс (Streptococcus mutans ) и грибок кандида альбиканс (Candida albicans ), работающие в связке, вызывают серьезные проблемы с зубами, чаще всего встречающиеся у дошкольников.
Археи в ротовой полости, включают метаногены Methanobrevibacter oralis и Methanobrevibacter smithii . Протисты, обитающие в полости рта, включают ротовую амёбу (Entamoeba gingivalis ) и ротовая трихомонада (Trichomonas lenax ). Эти комменсальные микроорганизмы питаются бактериями или пищевыми частицами и встречаются в гораздо большем количестве у людей с заболеванием десен. Ротовые вирусы преимущественно состоят из бактериофагов.
Две тысячи лет назад Гиппократ справедливо отметил, что «все болезни начинаются в кишечнике». Последующие научные исследования многократно подтверждали его правоту и важность профилактики патологий данного органа.
В человеческом кишечнике содержатся триллионы микробов многих видов, которые метаболизируют пищу и облекают разнообразные нутриенты в доступные формы. Добавляя до 2 кг лишнего веса телу человека, дружественные бактерии защищают организм от «плохих» микробов, таких как столбняк, кишечная палочка и многие другие. Поэтому микробиом является основой человеческого здоровья.
«Вероятно, одной из самых важных услуг, которые предоставляют людям микробы, является иммунитет», - говорит Мартин Блазер, директор программы «Микробиом человека» в Медицинском центре Нью-Йоркского университета и председатель Консультативного совета при президенте США по борьбе с антибиотикоустойчивыми бактериями. Исследователь считает, что в течение десятилетий люди, не ведая о том, случайно уничтожали полезные микроорганизмы, посредством неверного поведения:
- бесконтрольное и чрезмерное применение антибиотиков;
- регулярное использование антибактериального мыла и т. п.
Мартин Блазер объясняет, что микробы, которые живут внутри человеческого организма, составляют огромное сообщество, и когда его баланс нарушается, «плохие» бактерии процветают и наносят урон здоровью людей.
Микробиом является предметом множества клинических испытаний и научных исследований. Их главная цель - изучение взаимосвязей между кишечной микрофлорой и болезнями.
Например, недавние исследования ученых из Мичиганского университета показали, что микробиом оказывает огромное влияние на иммунную систему животных и человека.
Интересно!
Роб Найт из Калифорнийского университета в Сан-Диего создал исследовательский проект American Gut. Это - крупнейшая в мировой истории научно-исследовательская программа, в рамках которой любой желающий может провести анализ своей кишечной микрофлоры и, в случае обнаружения инфекций, устойчивых к антибиотикам, «трансплантировать» нормальный микробиом. Процедура помогает заселить желудочно-кишечный тракт полезными микробами и гарантирует (на 90%) успех в борьбе с «плохими» бактериями.
В этой статье Вы узнаете, как поддержать здоровье микробиома самостоятельно.
1. Больше органических продуктов в рационе питания
Что человек может сделать, чтобы поддержать полезные бактерии? Самый надежный и действенный способ, позволяющий изменить состав микрофлоры кишечника в лучшую сторону - это избирательность в отношении продуктов, которые составляют ежедневное питание. Сертифицированные органические продукты с высоким содержанием клетчатки, ферментированные ингредиенты способны помочь в укреплении здоровья кишечника.
Не стоит опасаться, что натуральные продукты, выращенные фермерскими хозяйствами, на дачах, могут быть загрязненными, в отличие от произведенных в промышленных масштабах, где широко применяются антибактериальные препараты и различные химикаты для борьбы с вредителями и патогенами. Напротив, обработанные продукты включают синтетические компоненты, которые вредят хорошим бактериям.
Ученые все чаще говорят о том, что полезно есть растительные продукты прямиком с грядки. Например, в своей книге «Лечение грязью» нейропедиатр Майя Шетра-Клейн утверждает, что овощи, выращенные в здоровой почве, поддерживают баланс микробиома человека, способствуя укреплению здоровья.
2. Цельное зерно и другие источники клетчатки
Цельнозерновые и другие продукты, содержащие много пищевых волокон, богаты олигосахаридами, сложными углеводами, которыми питаются микроорганизмы. Это - пребиотики, которые в большом количестве содержатся в:
- овсянке;
- гречке;
- коричневом рисе;
- киноа;
- цельной пшенице и т. д.
Они стимулируют рост полезных микробов гораздо эффективнее, чем очищенные зерна и просеянная мука. Министерство сельского хозяйства США (USDA) рекомендует употреблять 14 граммов клетчатки на каждую 1000 потребляемых калорий.
Профилактика предполагает постоянное присутствие пищевых волокон на тарелке. Регулярно добавляйте в свой рацион:
- хлеб из цельной пшеницы (в порционном ломтике содержится около 3 граммов клетчатки);
- несладкие плоды, ягоды с высоким содержанием клетчатки (например, среднее яблоко содержит около 3,5 грамма клетчатки);
- съедобные водоросли;
- овощи и т. п.
Натуральный йогурт является лидером по содержанию живых, активных бактериальных культур. Обычный стаканчик, около 160 г, скрывает миллиарды дружественных микробов.
Профессор медицины, микробиологии и иммунологии Университета штата Мичиган Мэри Х. Вейсер, утверждает, что ферментированные продукты, содержащие живые культуры, в том числе кефир, кимчи, квашеная капуста, моченые яблоки, огурцы и прочие овощи и фрукты помогают пополнить количественный состав микробиома и защитить «хорошие» кишечные бактерии.
4. Избегайте продуктов с искусственными подсластителями
По словам Эндрю Гевирта, эксперта из Центра воспаления, иммунитета и инфекций при государственном университете Джорджии, химические вещества, содержащиеся в искусственных подсластителях, вытесняют хороших бактерий и могут существенно увеличивать риски развития ожирения, а заодно всех сопутствующих ему заболеваний:
- метаболический синдром;
- диабет (2 тип);
- атеросклероз;
- кардиопатологии и др.
Многие готовые продукты питания, например, мороженое, пудинги, салатные заправки и т. п., приобретают гладкую, плотную консистенцию благодаря полисорбату 80 и карбоксиметилцеллюлозе (КМЦ). Данные химические вещества не найти в органических продуктах. Попадая в организм человека, они уничтожают кишечный микробиом, провоцируя воспаление. Эксперты называют синтетические эмульгаторы одними из основных виновников всплеска неинфекционной эпидемии метаболического синдрома в мире. Именно они повышают риски развития артериальной гипертензии, провоцируют развитие инсулинорезистентности.
6. Разумное применение антибиотиков
Статистические данные Всемирной организации здравоохранения выглядят довольно устрашающе, так как за последние 50 лет:
- количество пациентов с ожирением выросло на 200%;
- распространенность сахарного диабета увеличилась в семь раз;
- показатели заболеваемости бронхиальной астмой выросли на 250%.
Многие ученые считают, что во многом виноваты антибиотики. Ведь каждое применение антибактериальных препаратов можно сравнить с «ковровой бомбардировкой» кишечной микрофлоры.
CDC сообщает, что третья часть всех эпизодов применения антибактериальной терапии - ошибочна, так как антибиотики используют против вирусов, которые просто не реагируют на них.
Нельзя заниматься самолечением, бесконтрольно употребляя антибактериальные препараты. Если взрослый или ребенок заболел, профилактика рекомендует «бдительное ожидание» под наблюдением врача. При подозрении на вирус специалист посоветует провести несколько дней дома и назначит симптоматическое лечение, чтобы убедиться, что организм самостоятельно борется с инфекцией.
Исследования, проведенные в Швейцарии в 1990-х годах и совсем недавно в США, продемонстрировали, что дети, растущие на небольших фермах, в непосредственном контакте с животными, гораздо реже страдают от симптомов аллергии и бронхиальной астмы. Возможно, это происходит потому, что животные «диверсифицируют» человеческие микробы. Некоторые ученые считают, что домашние животные обеспечивают аналогичные преимущества.
Излишняя чистоплотность может сыграть с человеком «злую шутку», снижая иммунитет и влияя на сопротивляемость инфекциям. Поэтому наука внесла в последние годы важные коррективы в гигиенические правила: не стоит постоянно мыть руки дезинфицирующими средствами или любыми косметическими продуктами, содержащими триклозан. Для профилактики достаточно воды и мыла без антибактериальных добавок.
Кроме провокации резистентности к антибиотикам, данное противомикробное вещество, также содержащееся в некоторых зубных пастах, коррелирует с повышением чувствительности к переносимым по воздуху и содержащимся в пищевых продуктах аллергенах.
«Диетологический» хит последних лет — палеодиета . Основной принцип прост: давайте кушать те же продукты, что и наши далекие предки из каменного века (2,6 млн — 10 тыс. лет до нашей эры) потребляли до изобретения сельского хозяйства. С какой стати? Гены человека развиваются куда медленнее, чем его мозг. По большему счёту, сегодня они — те же самые, что и в ту далекую эпоху, когда люди были охотниками и собирателями. А раз так — то современная пища нам категорически не подходит. Но наши тела — куда более гибкая штука, чем считают «палеодиетчики». Ведь в «диете каменного века» не учтён важный фактор: микробиом .
Микробиом — сообщество из триллионов бактерий, обитающих в нашем желудочно-кишечном тракте. Он весит порядка 1,4 кг — почти столько же, сколько и мозг. Бактерий очень много — по численности они обходят живые клетки человека в соотношении 9 к 1
. Создатель микробиомной диеты доктор в шутку говорит, что люди — всего лишь «бактерии в костюмах».
А бактериальных генов больше, чем человеческих, в 150 (!) раз . Часто влияние генов бактерий на нашу повседневную жизнь оказывается даже более значимым, чем в случае с «родным» геномом.
Когда микробиом сбалансирован, у нас есть очень сильный союзник. Благодаря «довольным» микробам тело остаётся здоровым, пищеварение — хорошим, мышление — ясным. Если же баланс нарушен, последствия не заставят себя ждать — спутниками вашей жизни станут или могут стать «туман» в голове, депрессия, тревожность, проблемы с кожей и бессонница, ожирение, диабет, рак…
Микробиомный подход расходится с палеодиетой в главном — в скорости. Да, человеческие гены меняются не так быстро (хотя и быстрее, чем думают наиболее ортодоксальные сторонники «палео»). А вот популяция сверхважного для нас микробиома меняется очень быстро — в течение всего одного дня!
«Жизненный цикл одного микроба — всего 20 минут. Этого вполне достаточно, чтобы весь ваш микробиом изменил свой состав». (Рафаэль Келман).
Вместе с составом меняются и гены. Вы можете проснуться в понедельник с одним набором микробиомных генов, а во вторник — уже с другим.
На популяцию микробиома влияет множество факторов: окружение, упражнения, сон, стресс. Но самый важный — питание.
«То, как вы питаетесь, определяет, какие микробы внутри вас живут «счастливо», а какие — вымирают и исчезают».
Сторонники палеодиеты, таким образом, перевернули всё с ног на голову. Речь не о том, что наши гены запрограммировали нас на то, что мы должны придерживаться только определенной диеты. Скорее, наш рацион питания «программирует» наш микробиом — и его (очень важные для нас) гены .
Эксперимент
В 2011 году ученые из Гарварда
и Университета Дюка
провели крайне любопытное исследование. Добровольцам предложили две кардинально отличающиеся друг от друга диеты. Участники из первой группы питались пищей с высоким содержанием белка
: беконом, яйцами, свиными ребрышками, грудинкой, салями, сыром и шкварками. Во второй группе ели очень много клетчатки
— фрукты, овощи, злаки и бобы. Бактериальный анализ выделений показал большое — и практически мгновенное — влияние рациона на кишечные бактерии в обеих группах.
Началась выработка тех типов бактерий, которые помогли бы переваривать те виды пищи, которые люди только что съели. Всего за 24 часа «мясоеды» получили повышенную дозу бактерий, устойчивых к желчным кислотам (продукту, возникающему в процессе переваривания мяса). Если вы — мясоед, без таких бактерий не обойтись, и микробиом среагировал соответствующим образом. У «вегетарианцев» из второй группы таких бактерий было куда меньше — так как в них не было надобности.
Такая «гибкость» микробиома объясняет, почему наше тело столь быстро адаптируется почти к любой пище. Гены человека здесь ни при чём, нам нет нужды кивать на их медлительность. Природа дала человеку великолепный механизм выживания, который помогает ему привыкнуть к самым разным рационам питания.
«Микробиомные» продукты
Приверженцы палеодиеты уверены: люди не способны «переварить» злаки; более того, они — причина многих заболеваний. Доктор Келман не соглашается: цельнозерновые продукты предотвращают развитие сердечно-сосудистых заболеваний, ожирения и диабета. Положительный эффект проявляется в том числе и потому, что клетчатка из злаковых питает микробиом.
Теперь — самое интересное. Какая пища является «хорошей» для микробиома? Келман пишет, что составленный под микробиом рацион довольно разнообразен. Не нужно есть так уж много мяса — никаких 55% дневного потребления калорий, как предлагают «палеодиетчики», вашему микробиому не требуется. По последним научным данным, мясная продукция в больших количествах вредит нашим бактериям. Типичная еда западного мира — рафинированная мука, сахар, вредные жиры, добавки, консерванты и искусственные красители — также должна исчезнуть из рациона.
В свою очередь, обилие свежих, натуральных овощей, фруктов, бобовых и цельнозерновых продуктов — то, что приведёт ваш микробиом в неописуемый восторг. Спаржа, морковь, чеснок, топинамбур, батат, лук, лук-порей, редис, помидоры — это то, что должно быть на вашем столе как можно чаще. Очень хорошая добавка к рациону — ферментированная пища (корейская капуста кимчхи, наши родные квашеная капуста, соленья, кефир ). Это натуральные пробиотики , стимулирующие рост дружелюбных бактерий. Можно принимать и пробиотики в их «аптечной» вариации — капсулы, порошки и т.п.
Обложка книги Р. Келмана «Микробиомная диета»
Микробиомная теория объясняет хорошее самочувствие людей при самых разных рационах питания. К примеру, вы можете быть вегетарианцем, который в огромных количествах поглощает злаковые и бобовые — в палеодиете эта еда признается чуть ли не дьявольской — и ощущать себя «на все 100». Или питаться качественной, свежей едой с умеренными порциями куриного мяса и рыбы, небольшими «вкраплениями» говядины или баранины — и тоже чувствовать себя очень хорошо. Детали неважны. Самое главное — поддерживать своих маленьких приятелей внутри себя.
Есть такая шутка - чтобы бактериям было легче жить, они вырастили себе человека. Забавно, но, как всегда, в каждой шутке лишь доля шутки, а правда состоит в том, что в человеке собственно человека не так уж и много, даже меньше половины.
57 % клеток в человеческом теле не несут в себе человеческой ДНК, а принадлежат разнообразным бактериям, грибкам и вообще страшно представить кому. Впрочем, пугаться рано - вся эта конструкция (которая и называется микробиомом) в норме живет в симбиозе с человеком долго и счастливо, и чем богаче разнообразие микробов внутри нас, тем мы здоровее.
Чем больше бактерий, тем лучше
В частности, уже неоднократно доказано, что разнообразие микробов у больного депрессией человека в среднем меньше, чем у здорового. Вполне вероятно, что такая же зависимость существует и для аутизма, и для некоторых нейродегенеративных заболеваний. Японцы как-то выяснили, что чем больше различных микробов в ухе, тем меньше его обладатель восприимчив к отитам.
Осталось выяснить, как организовать это «больше», потому что если нехватку кишечных микробов уже пробовали лечить пересадкой кала, и даже успешно для некоторых болезней (типа диареи), то с ухом не очень понятно, чтó именно и как пересаживать.
Еще раз важность разнообразия микробиома подтвердил эксперимент, недавно проведенный в Японии (опять!). Ученые вырастили группу мышей, внутри у которых вообще не было микробов. Животные взрослели в стерильной обстановке. Этих грызунов подвергли стрессу вместе с другой группой мышей, совершенно идентичных первым за одним исключением: эти росли в обычной среде со всеми ее микробными радостями.
Оказалось, что первая группа животных испытывала стресс, который был сильнее, чем у второй, в 2 раза - именно такова была разница в концентрации выделяемых гормонов. Вот так и задумаешься: а действительно ли стоит отнимать у ползающего ребенка ботинок и кота?
Паркинсон, инфаркт и женская впечатлительность
Пожалуй, проще сказать, на что не влияет, потому что чем дальше научные работники углубляются в эту тему, тем больше они убеждаются, что микробная составляющая человека участвует вообще во всех сферах его жизни, и кто в итоге тут главный, человек или его микробы, микробы или их человек - вообще не ясно.
Например, возьмем эмоции. В США проводился эксперимент, в котором участвовали две группы женщин с разным составом микробиома (в одном случае превалировали Bacteroides , в другом - Prevotella ). Во-первых, у женщин из этих групп устройство мозга немного различалось, первые, судя по снимкам, лучше обрабатывали информацию, а вторые оказались более чувствительны эмоционально. Когда участницам демонстрировали различные картинки, группа Prevotella острее восприняла те из них, которые несли в себе негативный посыл.
Другой аспект: сердечно-сосудистые заболевания, ведущая, к слову, причина смертности в мире. Один из показателей здоровья сердца и сосудов - эластичность последних. В Великобритании изучили медицинские данные 617 женщин среднего возраста и увидели, что у тех из них, у кого хороших и разных микробов было больше по анализам, сосуды тоже были в лучшем состоянии.
У тех же, кто не мог похвастаться разнообразием бактерий, грибков, вирусов и архей, стенки сосудов были более жесткими. Специалисты заинтересовались, какие именно микроорганизмы отвечают за эластичность сосудов, и обнаружили, что те же самые микробы ранее фигурировали в другом исследовании - касавшемся ожирения.
Еще один пример: болезнь Паркинсона. При ней микробиом меняется очень сильно - хотя, казалось бы, заболевание затрагивает только мозг (клетки, контролирующие мышцы, отмирают, откуда и появляется характерный тремор), и при чем тут микробы?
Однако при очередных опытах на мышах специалисты из США показали, что если пересадить генетически предрасположенным к патологии мышам микробиом пациентов с болезнью Паркинсона, то состояние грызунов становится значительно хуже, чем при пересадке микробиома здорового человека.
Перечислять можно бесконечно. То, что о микробиоме знает наука сейчас, пусть даже это капля в море, подтверждает исключительную важность роли микробов в нашем здоровье. Если люди научатся оперировать микробиомом - возможно, многие лекарства нам уже не понадобятся.
Ксения Якушина
Фото istockphoto.com
МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА
МИКРОБИОМ ЧЕЛОВЕКА - НОВАЯ ЭРА В ПОНИМАНИИ МИКРОФЛОРЫ
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) .
М икробиом — 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.
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.].
Микробиота
используется для характеристи-ки микробиоценоза отдельных органов и систем, генетического материала и взаимосвязей внутри экологической ниши в определенный временной период на определенной территории. Микробиота взаимодействует с остальными органа-ми и системами, определяя функционирование организма в целом как у здорового человека, так и при заболеваниях. К
настоящему разделу отдельно добавлен раздел и о микробиоте:
См. подробнее:
ЧЕЛОВЕК КАК ЭКОСИСТЕМА
Человек с точки зрения микробиолога представляет собой ходячую экосистему - в человеческом организме обитает множество самых разных микроорганизмов. Первые данные о наших внутренних "соседях" были опубликованы еще 300 лет назад, вскоре после изобретения микроскопа. Однако теперь, с появлением методов изучения генома, представление о внутричеловеческих экосистемах могут радикально измениться.
В теле одного человека живет сотня триллионов бактерий. На каждую клетку нашего тела приходится десять бактериальных клеток, на каждый ген - 100 бактериальных генов. По подсчетам ученых, каждый взрослый человек носит в себе от полутора до трех кг микробов. Первые бактерии попадают в новорожденный организм уже в родовых путях, и далее бактериальное сообщество не покидает нас до конца жизни. Меняется лишь его видовой состав.
Совместная с бактериями жизнь оказывает огромное влияние на состояние нашего здоровья. Часть ферментов и витаминов, необходимых для нормального пищеварения и жизнедеятельности человека вообще, выделяют именно живущие в кишечнике микробы.
Так распорядилась эволюция.
Наше развивающееся понимание здорового микробиома
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. Внедрение строго анаэробных методов в 1970-х годах позволило извлечь из кишечника более 300 видов бактерий; кроме того, подсчет жизнеспособных клеток в стандартизированных серийных разведениях в селективных средах позволил количественно оценить эти виды. Резюме четырех крупных исследований этой эпохи, в которых рассматривались образцы кала от 141 американца на различных диетах, показало, что бактерии рода Bacteroides и анаэробные кокки были распространены и многочисленны, тогда как род Clostridium был вездесущим, но в более низкой численности, хотя один вид (как тогда было определено) наблюдался у всех субъектов. Другие распространенные, но менее распространенные бактерии включали представителей родов Bifidobacterium, Eubacterium, Lactobacillus и Streptococcus, а также факультативных анаэробов, таких 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. Тем не менее, привередливые требования некоторых микробов и трудоемкий характер работы, необходимой для их культивирования, представляли значительный барьер на пути их открытия. Кроме того, не все микробы могут быть хорошо выделены как виды или штаммы путем культивирования только на селективных средах. Таким образом, для изучения этих аспектов здорового микробиома были необходимы новые методы.
Новые методы изучения микробиомов
В настоящее время широкое распространение получили культурально-независимые методы, такие как секвенирование ДНК и флуоресцентная гибридизация in situ (FISH ), а их демократизация позволила непосредственно исследовать содержание ДНК в микробных образцах. Ранние исследования с использованием FISH, нацеленных на ген 16S рибосомальной РНК, показали, что по меньшей мере две трети кишечных бактерий в западноевропейской когорте можно отнести к набору из шести групп приблизительно на уровне вида / рода: два Bacteroides, два Clostridium, Clostridium, Streptococcus/Lactococcus и Eubacterium rectale.
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, кластером Clostridium XIVa и кластером Clostridium IV. 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). Однако во всех этих исследованиях большинство (75-80%) кластеров последовательностей не соответствовало ни одному из документированных видов в то время, что объясняло большую часть недооценки разнообразия в предыдущей работе.
Стоит отметить и метагеномное секвенирование, которое представляет собой мощную альтернативу рРНК-секвенированию для анализа сложных микробных сообществ. Так, для получения более широкого представления о генах микробов кишечника человека ученые из проекта MetaHIT (о нем будет сказано ниже) в 2010 г. использовали технологию Illumina 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 ).
Появление массивно-параллельного секвенирования с помощью метода дробовика (высокопроизводительные технологии секвенирования) существенно разрешило таксономический состав этой микробной «темной материи», хотя поразительный процент функционального разнообразия еще предстоит охарактеризовать (до 50%), как и состав нереферентных популяций. Первоначальные результаты повторяли большие межличностные различия, даже между близнецами, но также подразумевали существование набора микробных генов, которые являются общими для всех людей. Это помогло создать модель, согласно которой, подобно консервативным генам в отдельных организмах, «основной микробиом» может быть определен на функциональном, а не на таксономическом уровне.
Базовые когорты исследования микробиома
С тех пор были начаты крупномасштабные проекты по характеристике разнообразия микробного состава и его функционального потенциала, основанные на все еще растущей пропускной способности и экономической эффективности секвенирования и других молекулярных анализов. В 2010 году в исследовании «Метагеномы кишечного тракта человека» (MetaHIT - Metagenomics of the Human Intestinal Tract) сообщалось о метагеномах кишечника из образцов стула от 124 взрослых европейцев (преимущественно «здоровых»), что в то время превышало объем секвенирования всех предыдущих исследований микробиома почти в 200 раз. В 2012 году в рамках проекта «Микробиом человека» (HMP ) были представлены результаты профилирования 16S на 242 здоровых взрослых из Соединенных Штатов и метагеномного секвенирования на подгруппе из 139 человек, причем образцы, представляющие 18 мест обитания тела, были распределены между пятью основными областями тела. Большое китайское исследование диабета типа 2 вскоре дало дополнительные 145 кишечных метагеномов, примерно половина из которых была из недиабетических контролей. Кроме того, с тех пор консорциум MetaHIT продолжал публиковать новые метагеномы кишечника взрослых европейцев.
Кратко о проекте " метагеномика кишечного тракта человека"
MetaHIT (Metagenomics of the Human Intestinal Tract ) - это совместный проект, финансируемый Европейской комиссией, объединяющий 15 институтов из 8 стран. По-настоящему хорошо изучены (на 2019 г. - ред. ) лишь немногие представители микрофлоры кишечника и желудка, например, Escherichia coli или Helicobacter pylori. Об остальных известно мало. Даже видовое многообразие энтеробактерий оценивается весьма приблизительно - от 300 до 1000 видов. Но теперь ситуация начинает меняться благодаря европейскому проекту MetaHIT. Проект MetaHIT - это своего рода перепись бактериального населения кишечника. Желудочно-кишечный тракт человека - это сложная экосистема, идеальная среда обитания для множества бактерий. Их видовое многообразие ученые пытаются теперь изучить, используя методы генетического анализа. От 70 до 80 процентов бактерий, населяющих кишечник человека, не поддаются культивированию и размножению в лабораторных условиях, поэтому проект MetaHIT изучает наследственный материал бактерий. Так же, как некогда в проекте "Геном человека", задача исследователей состоит в секвенировании, то есть в расшифровке нуклеотидных последовательностей в молекулах ДНК. Но есть и существенная разница: теперь речь идет не об одном многоклеточном организме, каждая клетка которого имеет один и тот же набор генов, а о множестве одноклеточных организмов с разными наборами генов. Это сотни видов бактерий, это миллионы генов.
Типичные бактериальные компоненты микробиома
Экосистема толстой кишки является наиболее интенсивно изучаемой средой обитания организма, поскольку она может похвастаться удивительным разнообразием между людьми и микробной биомассой (количество клеток), которая затмевает экосистему других участков тела более чем на порядок величины. В сочетании с ранним появлением методов секвенирования генов 16S рРНК и методов анаэробного культивирования, эти свойства кишечника привели к особенно сильному вниманию в литературе к обитателям бактериальных кишечных микробиомов.
В настоящее время охарактеризовано более 1000 видов бактерий кишечника , что обеспечивает значительный «список деталей» бактериальных компонентов. Интересно, что за последние годы (начиная с середины 90-х) молекулярная филогенетика привела к реклассификации многих из этих видов. Особый интерес представляют виды в составе бактероидов (ранее считавшиеся наиболее обильным и распространенным бактериальным родом в кишечнике), которые были реклассифицированы в пять родов: Alistipes, Prevotella, Paraprevotella, Parabacteroides и Odoribacter с продолжением дополнительной культуральной и культурально-независимой молекулярной работы. По оценкам, в кишечных микробиомах группы MetaHIT преобладали 1000-1150 видов бактерий, из которых на каждого человека в среднем приходилось ~ 160 видов. В здоровых микробиомах кишечника, оцениваемых с помощью секвенирования, последовательно доминируют бактерии двух типов - Бактероидеты и Фирмикуты (Bacteroidetes и Firmicutes) , хотя даже при рассмотрении этого широкого уровня классификации индивидуумы различаются более чем на порядок по соотношению Firmicutes / Bacteroidetes . Распространенные бактерии в фекалиях, которые были идентифицированы с помощью молекулярных методов, расширили микробиомный список, включив в него бактерии по крайней мере из восьми семейств (рис. 1). Хотя они менее изучены, чем кишечник, многие другие места обитания организма у здоровых людей заняты микробными сообществами . Состав сообществ более сходен внутри местообитаний, чем между ними, - при этом продольные колебания существенны и до настоящего времени не имеют полностью объясненных причин.
Рис.1. Типичные роды (семейства) в человеческом микробиоме . 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 оставались неуловимыми даже в относительно узко определенных популяциях, каждая среда обитания на участке тела обладает сильным филогенетическим обогащением. Типичные роды (семейства в кишечнике ) показаны здесь в здоровых популяциях на разных участках .
Формирование микробиома и ранняя колонизация
Факторы, которые влияют на динамику микробиома в раннем возрасте, являются важными факторами, способствующими здоровому микробиому. Внедрение и персистенция микробов - это полустохастический процесс, на который влияют многие элементы, что дает здоровую конфигурацию, подобную взрослой, только после первых нескольких лет жизни. Обогащение кишечного микробиома младенца симбионтами, такими как Bacteroides, Parabacteroides, Clostridium, Lactobacillus, Bifidobacterium и Faecalibacterium prausnitzii, обеспечивает несколько детерминант здорового микробиома. Как только они установлены, они являются основными производителями короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs ), которые являются важным источником энергии из неперевариваемых углеводов. SCFAs являются иммуномодулирующими, ингибируют общие патогенные микроорганизмы и по последним данным обладают способностью подавлять опухоль. Микробиом кишечника является неотъемлемым требованием для становления и функционирования иммунной системы, и образование полезных бактериальных родов в раннем возрасте способствует иммунной толерантности и, следовательно, может ослаблять или отменять аутоиммунные заболевания.
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 и Staphylococcus. Эти микробы продолжают сохраняться, по крайней мере, в течение первого года жизни и, возможно, способствуют бремени инфекций у детей. Диета также представляет собой сильное избирательное давление на микробиом, а грудное вскармливание (в качестве первой диеты) благоприятствует определенным микробным видам из числа исходной микробиоты, которая могла быть собрана случайным образом. Например, олигосахариды грудного молока (HMO) могут использоваться в качестве единственного источника углерода только несколькими видами Bifidobacterium и Bacteroides.
О структуре микробиома здорового человека
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, «» 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
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
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 ).
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.
(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 (, ). 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 (, 3 , ).
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.
Метагеномное 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
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
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
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 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
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 / 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 :
- Роль диетических питательных веществ в модуляции микробиоты
Из истории изучения микробиома
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.
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 м
икробиом - 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»
Консорциум 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).
Оказывается, 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 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. 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
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...
«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.
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…" (
