Еволюція мікробіоти кишок ссавців та її наслідки для здоров’я людини

Матьє Груссен 1, 2 б та Флоран Мазель 3 а

наслідки

1 Центр інформатики та терапії мікробіомів, Массачусетський технологічний інститут, Кембридж, штат Массачусетс 02139, США
2 Кафедра біологічної інженерії, Массачусетський технологічний інститут, Кембридж, штат Массачусетс 02139, США
3 Відділ дослідницького центру ботаніки та біорізноманіття, Університет Британської Колумбії, Ванкувер, BC BC V6T 1Z4, Канада

Автори також внесли свій внесок у написання новели.

Фенотип багатоклітинного організму, як правило, вважається продуктом експресії його геному та його взаємодії з навколишнім середовищем. Виявивши надзвичайний обсяг бактеріального та архейського різноманіття, що живе на багатоклітинних організмах та всередині них, недавні технологічні досягнення у секвенуванні ДНК поставили під сумнів цю спрощену точку зору. Все більш очевидним є те, що ці спільноти мікроорганізмів, звані мікробіота 1, глибоко впливають на фенотипи господаря, який їх переносить, і навпаки: господарі та мікробіота, як кажуть, сильно взаємозалежні [1, 2]. Кишечник тварин являє собою умови життя, сприятливі для росту мікроорганізмів, які вони переносять: насправді є велика кількість їжі (їжа, що перетравлюється) і дуже низький вміст кисню (отрута для цих тварин. Мікроорганізми, які здебільшого суворо анаеробні). Ці спільноти, у свою чергу, дозволяють компенсувати ферментативні дефіцити в хазяїні, перетравлюючи частину їжі, що дозволяє краще витягувати енергію, що міститься в складних молекулах їжі [3] (→).

(→) Див. Новини А. Ель Каутарі та ін., РС n ° 3, березень 2014 р., сторінка 259

Багато захворювань, особливо аутоімунні, пов'язані з дисбалансом в мікробіологічній екосистемі кишечника і розроблені терапевтичні рішення, засновані на відновленні біорізноманіття кишечника [2] (→).

(→) Див. Також тематичний випуск Мікробіота: це невідоме, що мешкає в нас, м/с n ° 11, листопад 2016 року

Таким чином, класичне визначення поняття "біологічний організм" як самостійного утворення ставиться під сумнів [4]. Згідно з новим баченням, організм - це сукупність взаємозалежних сутностей, що діють у мережах, що дає можливість включити до визначення багатоклітинного організму всі мікробіоти, які перебувають у постійній функціональній взаємодії з ним. Однак, на відміну від геному, який вертикально і майже вірно передається від матері до дитини, організм повинен набувати de novo, у кожному поколінні всі бактерії, що утворюють його мікробіоти, із середовища, яке саме може впливати на склад мікробіоти протягом усього свого життя.

У нашій нещодавній роботі [6] ми показуємо, що як дієта, так і філогенез господаря дуже сильно впливають на мікробний склад кишечника, але на дуже різних бактеріальних таксономічних рівнях. (Малюнки 1A та B). Види ссавців, які адаптувались до того самого раціону, наприклад, рослиноїдні (наприклад, кенгуру та лань), придбали однакові бактерії в кишечнику, що належать до широких таксономічних категорій. Кишечник травоїдних тварин насправді збагачений бактеріями з Ruminococcaceae і Lachnospiraceae які виробляють ферменти, необхідні для розщеплення складних рослинних цукрів (наприклад, целюлози). Ці ферменти не кодуються геномом господаря, тому ці бактерії відіграють фундаментальну роль у засвоєнні господарем цих енергетичних молекул. У м’ясоїдних тварин, в свою чергу, мікробіота кишечника, збагачена певними сімействами бактерій (таких як Лактобактерії), які беруть участь у деградації амінокислот, у високих концентраціях у їх раціоні.

Хоча вони мають великі сімейства бактерій, види з однаковим харчуванням не містять однакових бактерій. На більш точному таксономічному рівні розподіл бактерій між кишечником ссавців більше не пояснюється різницею в харчуванні, а, схоже, відображає філогенетичне положення виду [6] (Малюнки 1A та B). Отже, два тісно пов’язані види у філогенетичному дереві ссавців, як правило, мають постійну дієту в більшій кількості видів або штамів бактерій. Наприклад, кенгуру і жуйні філогенетично віддалені, але обидва види бактерій із сімейства Ruminococcaceae. Однак жуйні мають спільно пов'язані між собою види бактерій, які абсолютно відрізняються від тих, що присутні в кенгуру. Цей конкретний розподіл кишкових бактерій, що відображає філогенез хазяїна, іноді називали "філосимбіозом" [7].

(→) Див. Новини С. Норманда та ін., РС n ° 6-7, червень-липень 2013 р., сторінка 586

Асоціацію між бактеріями, які ко-специфікують або ко-еволюціонують із господарем, та здоров’ям людини слід поширити на інші імунологічні або фізіологічні фенотипи. Деякі види Бактероїди або від Клострідій справді сприяють диференціації Т-лімфоцитів на протизапальні регуляторні Т-лімфоцити. Види родів Біфідобактерії, Лактобактерії, і Фекалібактерії відіграють захисну роль проти запалення слизової, пригнічуючи вироблення прозапальних цитокінів або стимулюючи дію інших протизапальних цитокінів, таких як інтерлейкін 10. Наскільки ступінь цих бактерій перебуває у ко-видоутворенні та/або спільній еволюції з люди залишаються невідомими.

Тому наше дослідження дозволило продемонструвати, що включення еволюційного підходу до аналізу складу кишкових мікробіомів та їх самих складових може виявити елементи, що мають сильний вплив на здоров'я господаря. Якщо мікробіота кишечника включає елементи, що впливають на здоров’я господаря, природний відбір повинен впливати на ці елементи (або на пару мікробіоти/хазяїна) і залишати сліди в поточному складі мікробіоти. геноми. Отже, виявлення цих еволюційних ознак є головною ставкою для майбутнього лікування захворювань, пов’язаних з дисбалансом кишкової флори.

Посилання, що цікавлять

Автори заявляють, що не мають ніякого інтересу стосовно даних, опублікованих у цій статті.

По-французьки мікробіота відноситься до мікробних спільнот, що колонізують різні місця. Ми говоримо про мікробіоти кишечника, легенів або шкіри. Мікробіом відповідає геному мікробів, що утворюють мікробіоти, визначеному в усьому світі.

Спільна еволюція: Два організми спільно еволюціонують, коли вони впливають на свою еволюцію взаємно через селективний тиск: ознаки або фенотипи особин у популяції змінюються у відповідь на ознаки або фенотипи особин у другій популяції, після чого відбувається взаємна зміна риси першої популяції. Відомий приклад - спільна еволюція між певними видами запилювачів та певними видами рослин (наприклад, відповідність між розміром дзьоба колібрі та розміром чашечки деяких тропічних рослин).

Еволюційна динаміка чисельності видів у даній кладі. Строго кажучи, диверсифікація - це різниця між кількістю подій видоутворення та кількістю подій вимирання.

Еволюційна конвергенція - це еволюційний механізм, що пояснює схожість (наприклад, морфологічну чи екологічну) між еволюційно віддаленими видами, але з урахуванням тих самих екологічних обмежень. http://www.encyclopedie-environnement.org/vivant/heritage-convergence-chemins-sinueux-de-levolution-especes/

Корельована диверсифікація взаємодіючих видів.

Особливий випадок спільної диверсифікації. Одночасне уточнення партнерів, які беруть участь у симбіотичних стосунках (взаємозв'язок із взаємною вигодою, як у випадку мутуалізму, або з одноосібною вигодою, як у відносинах господар-збудник). У нашому випадку ми говоримо про ко-видоутворення між ссавцями та кишковими бактеріями. Два партнери, які перебувають у співадіації, не обов’язково знаходяться в коеволюції.

Аллопатричне видоутворення - це форма видоутворення, яка вказує на утворення видів шляхом географічної ізоляції популяцій, що ведуть до підвидів, а потім і до різних видів.

Список літератури

  1. Lozupone CA, Stombaugh JI, Gordon JI, et al. Різноманітність, стабільність та стійкість мікробіоти кишечника людини. Природа 2012; 489: 220–230. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  2. Lloyd-Price J, Abu-Ali G, Huttenhower C. Здоровий мікробіом людини. Genome Med 2016; 8:51. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  3. El Kaoutari A, Armougom F, Raoult D, et al. Кишкова мікробіота та перетравлення полісахаридів Med Sci (Париж) 2014; 30: 259–265. [Google Scholar]
  4. Борденштейн С.Р., Тейс К.Р. Біологія господаря у світлі мікробіому: десять принципів голобіонтів та гологеномів. PLoS Biol 2015; 13: e1002226. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  5. Моран Н.А., Слоун Д.Б. Поняття гологенома: корисний чи порожній? PLoS Biol 2015; 13: e1002311. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  6. Groussin M, Mazel F, Sanders JG, et al. Розкриття процесів формування мікробіомів кишечника ссавців протягом еволюційного часу. Nat Common 2017; 8: 14319. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  7. Брукер Р.М., Борденштейн С.Р. Гологеномна основа видоутворення: кишкові бактерії викликають гібридну летальність у роду Nasonia. Наука 2013; 341: 667–669. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  8. Ley RE, Hamady M, Lozupone C, et al. Еволюція ссавців та їх кишкових мікробів. Наука 2008; 320: 1647–1651. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  9. Muegge BD, Kuczynski J, Knights D, et al. Дієта зумовлює зближення функцій мікробіому кишечника у філогенезі ссавців та в організмі людини. Наука 2011; 332: 970–974. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  10. Papa E, Doktor M, Smillie CS та ін. J. Неінвазивне картографування шлунково-кишкової мікробіоти визначає дітей із запальними захворюваннями кишечника. PLoS One 2012; 7: e39242–12. [CrossRef] [PubMed] [Google Scholar]
  11. Норманд S, Secher T, Chamaillard M. Дисбіоз, нова сутність в медицині?. Med Sci (Париж) 2013; 29: 586–589. [CrossRef] [EDP Sciences] [PubMed] [Google Scholar]

Список малюнків

Поточні показники використання показують сукупний підрахунок переглядів статей (повнотекстові перегляди статей, включаючи перегляди HTML, завантаження PDF та ePub, відповідно до наявних даних) та подання тез на платформі Vision4Press.

Дані відповідають використанню на платформі після 2015 року. Поточні показники використання доступні через 48–96 годин після публікації в Інтернеті та оновлюються щодня по днях тижня.

Початкове завантаження метрик може зайняти деякий час.