Ученые отследили эволюцию вирусов, обитающих в кишечнике человека

Человеческий организм представляет собой нечто большее, чем просто совокупность всех клеток, образующих его органы и ткани. Пищеварительный тракт человека является «домом» для различных бактерий, а также миллиардов вирусов, поражающих бактериальные клетки. Поскольку типы бактерий, населяющие кишечный тракт, могут отличаться у разных людей, популяция вирусов, называемая виромом, также варьирует.

Более двух с половиной лет ученые из Медицинской Школы Перельмана (Perelman School of Medicine, США) при Университете Пенсильвании (University of Pennsylvania, США) наблюдали за составом вирома здорового мужчины и тщательно анализировали его изменения. В результате они получили новые интересные сведения о том, как может изменяться и эволюционировать популяция вирусов, а также установили причину, по которой виром одного человека может сильно отличаться от вирома другого человека. Эволюция и разнообразие вирома может повлиять на чувствительность и резистентность человека к заболеваниям, а также на различия в эффективности применения одинаковых лекарственных препаратов у разных пациентов.

Результаты нового исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Большая часть вирома состоит из бактериофагов – вирусов, поражающих бактериальные клетки. Однако изменения, которые бактериофаги вызывают в бактериях, могут повлиять и на организм человека.

«Бактериальные вирусы – «хищники» бактерий, поэтому они формируют их популяции. Бактериальные вирусы также транспортируют хозяевам гены токсинов, факторов вирулентности, которые модифицируют фенотип бактерий, обитающих в организме человека», – говорит руководитель исследования, профессор микробиологии Фредерик Д. Бушман (Frederic D. Bushman). В этом случае под влиянием внедрившегося вируса безобидная благотворная бактерия, обитающая в организме человека, может трансформироваться в опасную угрозу для его здоровья.

За период, превышающий 884 дня, Бушман и его исследовательская команда 16 раз собирали пробы фекалий здорового мужчины и с помощью различных методов получали из них вирусные частицы. Затем они выделили и проанализировали контиги ДНК вирусов с помощью метода ультраглубокого секвенирования генома.

«Мы собрали необработанные данные о последовательностях нуклеотидов, чтобы получить полные и частичные геномы и проанализировать, каким образом они изменились за более чем два с половиной года», – говорит Бушман. В результате ученые получили самую большую из существующих в настоящий момент картину, отражающую работу вирома человека.

Исследователи обнаружили, что, в то время как приблизительно 80% идентифицированных типов вирусов практически не изменились в течение всего исследования, некоторые виды вирусов подверглись значительным изменениям. По словам Бушмана, ученые наблюдали процесс видообразования вирусов.

В семействе Microviridae – бактериофагах, геном которых представлен одноцепочечной кольцевой молекулой ДНК – изменения были связаны с различными механизмами: нуклеотидными заменами, ретроэлементами (когда фермент обратная транскриптаза вводит в геном мутации), а также CRISPRs элементами (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) (когда фрагменты ДНК бактериофагов включаются в геном бактерий).

Самым неожиданным результатом исследования, возможно, является обнаружение доказательств быстрой эволюции вирома. По словам Бушмана, в кишечнике разных людей обитают разные бактерии, поэтому бактериофаги также различаются. «Однако другая причина, по которой люди отличаются друг от друга с точки зрения их вирома, заключается в том, что некоторые вирусы сразу после того, как они оказались внутри человека, очень быстро меняются. Поэтому некоторые вирусные сообщества становятся более разнообразными и уникальными для каждого человека», – говорит ученый.

При рождении человек вместе с поступающей в его организм пищей и другими факторами окружающей среды, воздействующими на него, приобретает популяцию бактерий и сопровождающий ее виром. Поэтому логично, что популяция микроорганизмов, живущая внутри каждого человека, будет различаться. Но другой важный фактор, объясняющий, по словам ученых, существующее разнообразие вирома, это его постоянная эволюция внутри организма. Это влияет на чувствительность и резистентность к заболеваниям, а также эффективность различных лекарственных препаратов, как и других методов лечения.

Филогенетическое древо микрофагов. Крупными черными линиями изображены четыре контига микрофага с самым уровнем генетических замен, выявленном в новом исследовании. Шкала отражает пропорцию аминокислотных замен в 919 аминокислотах, образующих основной белок оболочки вируса. (Фото: Frederick Bushman, PhD, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania; PNAS)

По материалам Perelman School of Medicine at the University of Pennsylvania

Оригинальная статья:
S. Minot, A. Bryson, C. Chehoud, G. D. Wu, J. D. Lewis, F. D. Bushman. Rapid evolution of the human gut virome. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; 110 (30): 12450 DOI: 10.1073/pnas.1300833110