Вірусні співмешканці в кишечнику Більше, ніж діарея та блювота BioinfoWorlds
Кишкова флора людини є власною екосистемою. В одному грамі вмісту кишечника міститься більше живих істот, ніж земні люди. Кишкова флора зберегла образ бактерій. Це більше ніж купа бактерій, які нам потрібні для нашого травлення. Кишкова флора відіграє вирішальну роль для здоров’я людини, а, отже, і для хвороб. Термін "флора" - насправді рослинний світ - дещо вводить в оману і, строго кажучи, пережиток тих часів, коли бактерії ще були приписані до рослинного царства. Сьогодні ми воліємо говорити про мікробіом кишечника.
Коли повідомляється про мікробіом кишечника, маються на увазі в першу чергу бактерії в кишечнику. Багато уваги приділено бактеріальному компоненту кишечника. Буквально вчора я тримав у руці нинішній “Шпігель” із обкладинкою про надкишковий кишечник: “Бактерії в нашому кишечнику детоксикуються, тренують імунну систему, регулюють травлення”. Їх корисна функція у здорових людей відома та багато факторів які впливають на склад - дієта, вік, захворювання, ліки - вже добре зрозумілі. В останні роки також проводяться інтенсивні дослідження, щоб розшифрувати його роль у захворюваннях. Бактеріальний компонент кишечника пов’язаний із широким спектром захворювань, від шлунково-кишкових та аутоімунних захворювань до захворювань печінки та захворювань центральної нервової системи.
Кишкові віруси: проблема із зображенням
Кишковий мікробіом відноситься не тільки до бактерій, але і до всієї мікроорганізмів, що колонізують кишечник людей і тварин. Сюди також входять так звані археї (також одноклітинні організми без клітинного ядра), а також еукаріоти (організми з клітинним ядром; тут переважно гриби). Вірусному компоненту мікробіому (коротше «кишковий вірус») до цього часу майже не приділяли уваги. Про віруси в кишечнику відомо мало, і їх значення для здоров’я та хвороб ще слід дослідити. Віруси навіть не згадуються в німецькій статті Вікіпедії про кишкову флору. Якщо погуглити кишкові віруси, ви натрапите на загальновідомих патогенних мікроорганізмів, які переслідують нас діареєю та блювотою. Насправді ми знаємо, що більшість вірусів (і мікроорганізмів загалом) не є патогенними для людини, рослин чи тварин. Тож настав час зберегти образ вірусу кишечника.
Екскурс: метагеноміка
Основними причинами не звернення такої уваги на віруси (в кишечнику) були технічні причини. Для класичних мікробіологічних досліджень спочатку мікроорганізми потрібно було культивувати, щоб потім їх можна було ідентифікувати за допомогою секвенування. На жаль, більшість мікроорганізмів (за оцінками понад 99%) взагалі не можуть культивуватися (або слід сказати, ще ніхто не знайшов способу їх культивувати). Метагеноміка, яка можлива лише завдяки технологічним досягненням молекулярної генетики, забезпечує засіб лікування. Ідея цього: взяти зразок навколишнього середовища (грунт, морська вода, лобове скло або екскременти) і витягти з нього весь генетичний матеріал.
Метагеноміка також призвела до повороту у вірусології. Якщо раніше вас дуже конкретно цікавили віруси, які спровокували стан захворювання в організмі, завдяки метагеноміці з високопродуктивним секвенуванням, ви вирушаєте в експедиції в екологію вірусів. Перший метагеном вірусу був секвентований за зразком океану в 2002 році. З тих пір метагеноміка виявила величезне мікробне біорізноманіття в багатьох різних середовищах. Метагеноміка все частіше використовується в клініках для важко діагностованих випадків. Але слід також сказати, що експериментальні та біоінформаційні методи вірусної метагеноміки ще не досягли консенсусу. Навіть фахівці з метагеноміки говорять про «темну речовину», коли описують вірусні послідовності, які вони знаходять у метагеномах.
Знову в кишечнику
Перша публікація, коли-небудь згадувана про кишковий вірус, з’явилася в 2003 році. У тому ж році були проведені секвенування перших бактеріофагів з фекаліями людини (тією ж робочою групою, яка секвенювала перший метагеном вірусу за зразком океану). Бактеріофаги - це віруси, які атакують бактерії та археї. Вони є найпоширенішими мешканцями кишечника. Кишковий вірус також містить еукаріотичні віруси, господарями яких є, наприклад, гриби в кишечнику або самі люди. Навіть віруси, які проходять через шлунково-кишковий тракт як частина нашого раціону (наприклад, рослинні віруси), є частиною кишкового вірусу. Патогенна дія еукаріотичних кишкових вірусів добре відома (шлунково-кишковий грип, спричинений норовірусами або ротавірусами). Оскільки кишкові віруси присутні у всіх (навіть здорових) людей, передбачається, що вони також відіграють важливу роль у рівновазі організму; лише поки що навряд чи є якісь докази цього.
CrAssphage: Не комп'ютерний вірус, а названий на честь програмного забезпечення
Хоча CrAssphage не мав відомих родичів, коли його було виявлено в 2014 році, у 2017 році було виявлено ряд пов'язаних вірусів та описано нове сімейство CrAss-подібних фагів.
Всі однакові або кожен унікальний?
Коли CrAssphage зустрічається у такої великої частини населення, закономірно виникає питання, чи є в кишечнику якийсь ядерний вірус, який є загальним для всіх людей. Питання ще не з’ясоване, але справа в тому, що в кишечнику багатьох людей можна знайти інші віруси, включаючи інших представників CrAss-подібних фагів. Однак, порівнюючи кишковий вірус у дорослих, також було виявлено, що його склад унікальний у кожної людини. Ми вже знаємо кілька факторів, які впливають на наш склад вірусу в кишечнику: родичі, дієта, спосіб народження і, звичайно, хвороби. Спосіб розродження (тобто природний проти кесаревого розтину), схоже, впливає на вірусний склад кишечника навіть більше, ніж на бактеріальний склад.
За питанням про те, як складається кишковий вірус, безпосередньо слідує питання про його вплив на здоров’я людини. Роль кишкового вірусу в захворюваннях далеко не досліджена адекватно. Проте вже є зв’язки з деякими захворюваннями, включаючи запальні захворювання кишечника, діабет I типу та рак товстої кишки. Гіпотрофія також може бути розпізнана кишковим вірусом, але залишається незрозумілим, чи є змінений склад причиною чи наслідком захворювання.
Від кишечника дитини до кишечника дорослого: стабільність у часі
Чи є кишечник новонароджених абсолютно стерильним чи ні, все ще залишається предметом дискусій. Відразу після народження вона зазнає впливу і колонізується величезною кількістю мікроорганізмів. Протягом наступних тижнів і місяців сформувалася стабільна спільнота цих організмів. Вірома різко змінюється в перші тижні життя: більше половини вірусів із зразків стільця на першому тижні життя вже не виявляються на другому. Бактеріофаги домінують у ранній колонізації кишечника після народження і, швидше за все, надходять з навколишнього середовища, ніж від матері або їжі. Цікаво, що найбільша кількість і різноманітність фагів спостерігається в перші місяці життя і з часом значно зменшується. Бактеріальний компонент мікробіома кишечника розвивається якраз навпаки.
Віруси еукаріот також були виявлені у зразках калу у немовлят, навіть без того, щоб у цих немовлят була якась клінічна картина. У свою чергу, їх багатство збільшується з віком, мабуть, тому, що ми поглинаємо ці віруси із навколишнього середовища.
На відміну від різких змін віроми немовляти, кишковий вірус здорової дорослої людини з часом виявляється досить стабільним. Тим не менше, віруси, природно, мутують і в нашому кишечнику. Може статися так, що протягом двох років вони настільки змінюються, що переростають у новий вид. Це також може бути причиною міжособистісних відмінностей кишкового вірусу.
Бактерії проти фага
Навіщо вивчати багатовимірну екосистему, зосередившись лише на одному вимірі?
Залишається сказати, що ми все ще майже нічого не знаємо про наш кишковий вірус. Нам потрібні більш масштабні поздовжні дослідження, які зосереджуються як на бактеріальних, так і на вірусних компонентах мікробіома кишечника. І нам потрібні кращі біоінформаційні аналізи вірусів. Більшість послідовностей вірусів у дослідженнях метагеномів досі залишаються невстановленими («темне катування»). Відповідно, оцінки не є повними, і в результатах дослідження завжди є суперечності. На майбутнє важливо, щоб ми не тільки продовжували досліджувати бактерії в кишечнику, але перш за все стежили за роллю фагів: Як бактеріофаги змінюють склад і функції бактеріальних компонентів кишечника і який вплив вони мають на наше здоров’я в результаті?