Метагеномічна системна біологія мікробіому кишечника людини виявляє топологічні зрушення, пов’язані з

Відредаговано * Джеффрі І. Гордоном, Медичний факультет Університету Вашингтона в Сент-Луїсі, Сент-Луїс, Міссурі, та затверджено 15 листопада 2011 р. (Отримано на огляд 3 жовтня 2011 р.)

метагеномічна

Анотація

Тут ми представляємо унікальну структуру для вивчення мікробіому людини, інтегруючи метагеномічні дані з мережевим аналізом на системному рівні. Цей підхід до біології метагеномних систем виходить за рамки традиційного порівняльного аналізу, розміщуючи метагеномічні дані дробовика в контексті метаболічних мереж на рівні громади. Порівняння топологічних властивостей ферментів у цих мережах з їх чисельністю в різних метагеномних зразках та вивчення топологічних особливостей мікробіомів, асоційованих з різними станами господаря, на рівні системи, дозволяють отримати уявлення про зміни в метаболічній здатності. Цей підхід розширює метагеномний генноцентричний погляд, беручи до уваги не тільки набір генів, присутніх у мікробіомі, але й складну мережу взаємодій між цими генами, і розглядаючи мікробіом як єдину «незалежну» біологічну систему (18).

Методи обчислювальної системної біології та складні мережеві аналізи широко застосовуються для вивчення мікроорганізмів, і розроблено різноманітні підходи для створення метаболічних мереж у масштабі генома різних видів мікробів (19–21). У цьому дослідженні ми зосереджуємось на простих мережах, орієнтованих на зв'язок, які обчислювально отримані з великомасштабних метаболічних баз даних (22) на основі гомологій у поєднанні з топологічним аналізом. Ці мережі утворюють спрощення фактичних основних метаболічних шляхів і можуть бути відносно неточними та галасливими. Однак топологічний аналіз таких мереж виявився потужним для вивчення характеристик одновидових метаболічних мереж та їх впливу на різні функціональні та еволюційні властивості, включаючи масштабування (23), метаболічну функціональність та регуляцію (24, 25), модульність ( 26, 27), необхідність та життєздатність мутантів (28), генетична та екологічна стійкість (29), адаптація (30, 31) та взаємодія видів (32). На сьогодні, однак, топологічний аналіз не використовувався для вивчення метаболічних мереж на рівні громади та вивчення метаболічного обміну.

Результати

Набори даних.

Були проаналізовані метагеномічні дані дробовика, отримані від ілюмінації, від 124 неспоріднених датських та іспанських осіб (3). З 124 осіб, 82 серед інших процесів були позначені як худі/надмірна вага [індекс маси тіла (ІМТ) -12) (Додаток SI, таблиця S4).

Пов’язування асоційованих з державою ферментів з центральністю.

Використовуючи вищезазначену мережу на рівні громади, ми дослідили, чи мають ферменти, пов’язані з певним станом господаря, унікальні топологічні особливості. Спочатку ми зосередилися на топологічно виведеному вимірі центральності, який називається центральністю (25). Ця міра обчислює частку найкоротших шляхів у складній мережі, які проходять через даний вузол, як проксі для розташування вузла по відношенню до всіх інших вузлів (Додаток SI, рис. S2B). Високі значення центральності зазвичай асоціюються з вузлами, розташованими в ядрі мережі, тоді як низькі значення центральності вказують на більш периферійне розташування.

(A) Середнє та SE середніх показників ферментів, пов’язаних із ожирінням, порівняно з усіма іншими ферментами в мережі. Ферменти, пов’язані з ожирінням, поділяються далі на ферменти, які збагачуються або виснажуються мікробіомами із ожирінням. (B) Частка ферментів, які асоційовані з ожирінням (основний графік) та IBD (Inset), у трьох рівномірно населених центральних мережевих рівнях. Кожна концентрична секторна діаграма відображає відсоток ферментів у межах певного рівня центральності, які класифікуються як збагачені або виснажені. Ферменти, пов’язані з ожирінням або ВЗК, виявляються у значно вищих пропорціях у периферійному рівні (P −6 [ожиріння], P −5 [IBD]; тест на гіпергеометричне збагачення). Цей результат все ще зберігається з урахуванням альтернативних або жорсткіших критеріїв зв’язку з державою перебування (Додаток SI).

Цікаво, що подібна картина спостерігається у ферментів, асоційованих із ВЗК. Показник диференціальної рясності ферменту при ВЗК негативно корелює з його центральністю (R = -0,15, Р-9, кореляційний тест Спірмена), а показники централізації ВІР-асоційованих ферментів значно нижчі за оцінки центральності ферментів, не пов'язаних з ВЗК. (P −6, тест з підсумком рангової суми Уілкоксона; P −4, тест з підсумкою рангової суми Уілкоксона) та нижчий за ступенем (P −6, тест з підсумками рангових значень Уілкоксона) у порівнянні з ненасінням, і що такі насінні в мережі є надмірно представленими серед ферменти, пов’язані з ожирінням та IBD [P −4 (ожиріння) та P −3 (IBD); детальніше наведено у Додатку SI].

Середнє та SE коефіцієнта кластеризації (A) та ступеня (B) збагачених (червоний; n = 170), виснажених (зелений; n = 180) та інших (сірий; n = 1213) ферментів у мікробіомах із ожирінням. Коефіцієнт кластеризації визначається як відношення між загальною кількістю ребер, що з'єднують сусіди вузла, та потенційною кількістю ребер, які можуть існувати між ними. В-градус означає кількість ребер, що закінчуються у вузлі. (C) Середнє значення та SE для диференціальних показників чисельності насіння проти ферментів, що не є насінням.

Пов’язування топологічних варіацій зі складом видів громади.

Прив’язка стану хосту до топологічних властивостей мережевого рівня.

Модульність метаболічних мереж, специфічних для стану господаря. (А) Аналіз розрідженості модулярності об’єднаних нежирних, здорових із ожирінням та нежирних ВЗК мікробіомів. Ділянка зображує середнє значення (суцільні лінії) та SD (пунктирні лінії) п’яти раундів аналізу розрідження, отриманих шляхом обчислення модульності мереж, отриманих із поступово менших випадково вибраних наборів зчитувань. (B) Різниця між модульністю специфічної для ожиріння та здорової для здорового та здорової їжі мережі побудована (пунктирною синьою лінією) проти нульового розподілу відмінностей, отриманих шляхом випадкового групування зразків (детальніше наведено у Додатку SI). Спостережувана різниця в модульності значно перевищує очікувану різницю відповідно до цього нульового розподілу.