Проект NIH Human Microbiome визначає нормальний бактеріальний склад організму

Секвенування геному створює перші довідкові дані для мікробів, які живуть зі здоровими дорослими.

microbiome

Мікроби населяють майже кожну частину людського тіла, живучи на шкірі, в кишечнику та в носі. Іноді вони викликають хвороби, але більшу частину часу мікроорганізми живуть у гармонії зі своїми господарями, забезпечуючи життєво важливі функції, необхідні для виживання людини. Вперше консорціум дослідників, організований Національним інститутом охорони здоров’я, склав карту нормального мікробного складу здорових людей, давши численні уявлення та навіть кілька сюрпризів.

Наприклад, дослідники виявили, що майже всі люди регулярно переносять патогени, мікроорганізми, які, як відомо, викликають хвороби. Однак у здорових людей збудники хвороби не викликають захворювань; вони просто співіснують зі своїм господарем та рештою людського мікробіома, колекцією всіх мікроорганізмів, що живуть в людському тілі. Тепер дослідники повинні з'ясувати, чому деякі патогени стають смертельними і за яких умов, можливо, переглядаючи сучасні уявлення про те, як мікроорганізми викликають хвороби.

У серії скоординованих наукових звітів, опублікованих 14 червня 2012 року в "Природі" та кількох журналах Публічної бібліотеки наук (PLoS), близько 200 членів Консорціуму проекту "Мікробіом людини" (HMP) з майже 80 університетів та наукових установ повідомляють про п’ять років досліджень. HMP отримав 153 мільйони доларів з моменту свого запуску у 2007 фінансовому році від Загального фонду NIH, який інвестує у високоефективні, інноваційні, транс-NIH дослідження. Окремі інститути та центри NIH надали додатково 20 мільйонів доларів США для співфінансування досліджень консорціуму HMP.

"Як дослідники XV століття, які описують контур нового континенту, дослідники HMP застосували нову технологічну стратегію, щоб вперше визначити нормальний мікробний склад людського тіла", - сказав директор NIH Френсіс С. Коллінз, доктор медичних наук. Д. «HMP створив чудову довідкову базу даних, використовуючи методи секвенування геномів для виявлення мікробів у здорових добровольців. Це закладає основу для прискорення досліджень інфекційних хвороб, які раніше були неможливі без цього спільного ресурсу ".

Методи та результати

Людський організм містить трильйони мікроорганізмів, що перевищує людські клітини на 10-1. Однак через свої невеликі розміри мікроорганізми складають лише близько 1-3 відсотків маси тіла (у дорослої людини вагою 200 фунтів це 2-6 фунтів бактерій), але відіграють життєво важливу роль у здоров’ї людини.

Для визначення нормального мікробіома людини дослідники HMP взяли вибірку для 242 здорових добровольців із США (129 чоловіків, 113 жінок), збираючи тканини з 15 ділянок тіла у чоловіків та 18 ділянок тіла у жінок. Дослідники зібрали до трьох зразків у кожного добровольця на таких ділянках, як рот, ніс, шкіра (по два за кожним вухом та кожним внутрішнім ліктям), нижній частині кишечника (стілець) та три вагінальні ділянки у жінок; кожна ділянка тіла може бути заселена організмами, настільки ж різними, як у тропічних лісах Амазонки та пустелі Сахара.

Історично склалося так, що лікарі вивчали мікроорганізми у своїх пацієнтів, виділяючи патогени та вирощуючи їх у культурі. Цей кропіткий процес, як правило, визначає лише декілька мікробних видів, оскільки їх важко вирощувати в лабораторії. У HMP дослідники очистили всю людську та мікробну ДНК у кожному з понад 5000 зразків та проаналізували їх за допомогою машин для секвенування ДНК. За допомогою комп’ютерів дослідники відсортували 3,5 терабази даних послідовностей геномів, щоб ідентифікувати конкретні генетичні сигнали, знайдені лише у бактерій - змінних генів бактеріальної рибосомної РНК, званої 16S рРНК. Бактеріальна рибосомна РНК допомагає формувати клітинні структури, що виробляють білок, і може ідентифікувати наявність різних мікробних видів.

Зосередження уваги на цьому мікробному підписі дозволило дослідникам HMP ігнорувати послідовності геному людини та аналізувати лише бактеріальну ДНК. Крім того, метагеномне секвенування або секвенування всієї ДНК в мікробній спільноті дозволило дослідникам вивчити метаболічні можливості, закодовані в генах цих мікробних спільнот.

"Нещодавно розроблені методи секвенування геному тепер забезпечують потужну лінзу для погляду на мікробіом людини", - сказав доктор медичних наук, доктор філософії Ерік Д. Грін, директор Національного науково-дослідного інституту геному людини, який керував HMP для НІГ. "Дивовижне падіння вартості секвенування ДНК зробило можливим проведення великого опитування, проведеного проектом Human Microbiome Project".

Там, де раніше лікарі виділяли з організму лише кілька сотень видів бактерій, зараз дослідники HMP підраховують, що понад 10 000 мікробних видів займають людську екосистему. Більше того, дослідники підраховують, що вони виявили від 81 до 99 відсотків усіх родів мікроорганізмів у здорових дорослих.

"Ми визначили межі нормальних мікробних коливань у людей", - сказав Джеймс М. Андерсон, доктор філософії, директор відділу координації програм, планування та стратегічних ініціатив NIH, до складу якого входить Загальний фонд NIH. "Зараз ми прекрасно уявляємо, що є нормальним для здорового населення Заходу, і ми починаємо дізнаватися, як зміни в мікробіомі співвідносяться з фізіологією та захворюваннями".

Дослідники HMP також повідомили, що це безліч мікробів сприяє більшій кількості генів, відповідальних за виживання людини, ніж люди. Там, де геном людини несе близько 22000 генів, що кодують білок, дослідники підрахували, що людський мікробіом вносить близько 8 мільйонів унікальних генів, що кодують білок, або в 360 разів більше бактеріальних генів, ніж людські гени.

Цей бактеріальний геномний внесок є критично важливим для виживання людини. Наприклад, гени, що переносяться бактеріями в шлунково-кишковому тракті, дозволяють людям перетравлювати їжу та засвоювати поживні речовини, які інакше були б недоступні.

"Люди не мають усіх ферментів, які нам потрібні для перетравлення власної дієти", - сказала Літа Проктор, доктор філософії, керівник програми NHMPI HMP. “Мікроби в кишечнику розщеплюють багато білків, ліпідів та вуглеводів у нашому раціоні на поживні речовини, які ми можемо потім засвоїти. Більше того, мікроби виробляють корисні сполуки, такі як вітаміни та протизапальні речовини, які наш геном не може виробляти ". Протизапальні засоби - це сполуки, які регулюють деяку реакцію імунної системи на захворювання, наприклад, набряк.

Дослідники з подивом виявили, що розподіл мікробної метаболічної діяльності має значення більше, ніж види мікробів, що їх забезпечують. Наприклад, у здоровій кишці завжди буде популяція бактерій, необхідних для засвоєння жирів, але це не завжди можуть бути ті самі види бактерій, які виконують цю роботу.

"Здається, що бактерії можуть пошкодити один одного", - сказав Кертіс Хаттенхауер, доктор філософії, Гарвардська школа громадського здоров'я та провідний співавтор однієї з робіт HMP у Nature. "Важливо, чи присутня метаболічна функція, а не який мікробний вид її забезпечує".

Більше того, компоненти людського мікробіому з часом чітко змінюються. Коли пацієнт хворий або приймає антибіотики, види, що складають мікробіом, можуть суттєво змінитися в міру ураження того чи іншого виду бактерій. Однак врешті-решт мікробіом повертається до стану рівноваги, навіть якщо попередній склад бактеріальних типів не.

Клінічні програми

Як частина HMP, NIH профінансував низку досліджень з метою виявлення зв'язків мікробіому із захворюваннями, і кілька статей PLoS містять медичні результати. Наприклад, дослідники медичного коледжу Бейлора в Х'юстоні порівняли зміни у вагінальному мікробіомі 24 вагітних жінок із 60 жінками, які не були вагітними, і виявили, що вагінальний мікробіом зазнає значних змін у бактеріальних видах під час підготовки до народження, головним чином характеризуючись зменшення видового різноманіття. Новонароджений - це бактеріальна губка, оскільки вона заселяє власний мікробіом після виходу із стерильної утроби; проходження через родові шляхи дає дитині першу дозу мікробів, тому може не дивно, що вагінальний мікробіом еволюціонував, щоб зробити його здоровим проходженням.

Дослідники медичної школи Вашингтонського університету в Сент-Луїсі дослідили мікрофлору носа у дітей з незрозумілою лихоманкою, що є загальною проблемою у дітей до 3 років. Зразки носа від гарячкових дітей містили в п’ять разів більше вірусної ДНК, ніж діти без температури, а вірусна ДНК була із більш широкого кола видів. Попередні дослідження показують, що віруси мають ідеальні діапазони температур для розмноження. Лихоманка є частиною захисту організму від патогенних вірусів, тому швидкі тести на вірусне навантаження можуть допомогти дітям уникнути неправильного лікування антибіотиками, які не вбивають віруси, але можуть завдати шкоди здоровому мікробіому дитини.

Це одні з найперших клінічних досліджень, що використовують дані мікробіомів для вивчення його ролі у конкретних захворюваннях. NIH профінансував багато інших медичних досліджень із використанням даних та методів HMP, включаючи роль мікробіома кишечника у хворобі Крона, виразковому коліті та раку стравоходу; мікробіом шкіри при псоріазі, атопічному дерматиті та імунодефіциті; урогенітальний мікробіом у репродуктивному та статевому анамнезі та обрізання; і ряд дитячих розладів, включаючи дитячі болі в животі, запалення кишечника та важкий стан недоношених дітей, в яких кишечник насправді гине.

"Включення досліджень для конкретних захворювань - це суть проекту Human Microbiome", - сказала Барбара Мете, доктор філософії, з Інституту Дж. Крейга Вентера, Роквілл, доктор медичних наук, та провідний співавтор журналу "Про природу". для сучасних та майбутніх досліджень мікробіомів людини. "Тепер, коли ми розуміємо, як виглядає звичайний мікробіом людини, ми повинні мати змогу зрозуміти, як зміни в мікробіомі пов'язані з хворобами або навіть викликають їх".

Загальний фонд NIH також інвестував у серію досліджень з метою оцінки етичних, правових та соціальних наслідків досліджень мікробіомів. Хоча результати цих досліджень ще не опубліковані, вже було визначено ряд важливих питань, починаючи від того, як можуть бути врегульовані продукти, призначені для маніпулювання мікробіомами - наприклад, пробіотичні суміші, що включають живі мікроорганізми, які, як вважають, приносять користь організму. до того, чи слід людям починати розглядати можливість зберігання свого мікробіому здоровим.

Після того, як NIH запустив HMP у грудні 2007 року, Міжнародний консорціум людських мікробіомів, створений у 2008 році, представляв фінансуючі організації, включаючи NIH, та вчених з усього світу, зацікавлених у вивченні людського мікробіома. Консорціум координував дослідження, щоб уникнути дублювання зусиль та забезпечив швидке вивільнення молекулярних та клінічних наборів даних. Він також розробив загальні стандарти якості та інструменти для обміну результатами досліджень.

Як і у випадку з іншими широкомасштабними спільними зусиллями, NIH забезпечив, щоб наукове співтовариство могло вільно отримувати доступ до даних HMP через загальнодоступні бази даних, такі як Національний центр біотехнологічної інформації, частина Національної медичної бібліотеки, та в Центрі аналізу та координації даних HMP.

Проектом «Мікробіом людини» керує Національний науково-дослідний інститут геному людини у партнерстві з Офісом директора NIH, Національним інститутом алергії та інфекційних хвороб, Національним інститутом артриту та хвороб кістково-м’язової та шкірної інфекцій, Національним інститутом раку, Національним інститутом стоматології і черепно-лицьові дослідження, а також Національний інститут діабету та хвороб органів травлення та нирок, усі частини NIH.

Більше інформації про HMP можна знайти на веб-сайті http://commonfund.nih.gov/hmp/index.aspx. Ілюстрація, що демонструє сайти тіла, які були відібрані в рамках дослідження здорової когорти проекту Human Microbiome Project, доступна за адресою: www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20163.

Зображення бактерії Enterococcus faecalis з високою роздільною здатністю, одного з багатьох коменсальних мікробів, що мешкають в кишечнику людини, доступне у кольоровому кольорі на веб-сайті www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20023, або чорно-біле на www. .genome.gov/pressDisplay.cfm? photoID = 20024.

Для отримання додаткової інформації звертайтесь

NHGRI - це один з 27 інститутів та центрів NIH, агентства Департаменту охорони здоров'я та соціальних служб. Відділ заочних досліджень NHGRI підтримує гранти на дослідження та навчання та розвиток кар'єри на сайтах по всій країні. Додаткову інформацію про NHGRI можна знайти на веб-сайті www.genome.gov.

Спільний фонд NIH підтримує низку надзвичайно великих дослідницьких програм, які в цілому стосуються здоров'я та хвороб. Програми Загального фонду розроблені для подолання основних дослідницьких бар'єрів та використання нових можливостей на благо біомедичних дослідницьких кіл в цілому. Очікується, що науково-дослідна продукція програм Загального фонду сприятиме дослідженню захворювань за підтримки Інститутів та центрів NIH. Додаткову інформацію про Загальний фонд NIH можна знайти на веб-сайті http://commonfund.nih.gov.

Про Національний інститут охорони здоров’я (NIH): NIH, державне медичне дослідницьке агентство, включає 27 інститутів та центрів і є частиною Міністерства охорони здоров'я та соціальних служб США. NIH - основне федеральне агентство, яке проводить і підтримує основні, клінічні та поступальні медичні дослідження, а також досліджує причини, методи лікування та лікування як загальних, так і рідкісних захворювань. Для отримання додаткової інформації про NIH та її програми відвідайте www.nih.gov.

NIH… Перетворення відкриття на здоров’я ®