Проект NIH Human Microbiome визначає нормальний бактеріальний склад організму Національними інститутами

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.