В человеческом микробиоме больше генов, чем звезд в наблюдаемой вселенной

Ученые-генетики начинают новый грандиозный проект по каталогизации всех генов в коллективном микробиоме человека. В первом опубликованном исследовании было зарегистрировано поразительные 46 миллионов генов только из 3500 образцов микробиома человека. Половина этих генов уникальна для отдельных людей.

Астрономы предполагают, что в наблюдаемой вселенной может быть около одного миллиарда триллионов звезд. Попытка понять вселенную, которая невероятно велика, практически невозможна, и теперь новое исследование предполагает, что человеческий микробиом работает на аналогичных уровнях сложности, но в значительно меньшем масштабе. Исследование, проведенное Гарвардской медицинской школой и Диабетическим центром Джослина, показывает, что бактерии, живущие внутри нас, могут в совокупности содержать больше генов, чем количество звезд в наблюдаемой вселенной.

Мы знаем, что в каждом человеческом теле живут триллионы бактерий. Многие оценки показали, что в организме больше бактериальных клеток, чем клеток человека — фактически в 10 раз больше. В то время как кишечный микробиом включает в себя наибольший объем микроорганизмов, обитающих в организме человека, существует множество других специфических сообществ бактерий, включая оральные, кожные и микробиомы легких.

Возможно, одной из самых интересных областей исследований в 21 веке является наше растущее понимание влияния этих микробов на наше общее здоровье. Мы обнаруживаем, насколько глубоко симбиотичны отношения между нашим общим здоровьем и этими бактериальными факторами, однако большинство исследований на сегодняшний день было сосредоточено только на связях между определенными бактериальными видами и болезнями.

Это, конечно, очень важно, но огромные генетические различия внутри отдельных видов бактерий могут иметь фундаментальное значение для понимания того, как болезнь может быть связана с микробной активностью.

В 2003 году ученые официально завершили эпический проект картирования всего генома человека. Хотя дебаты по окончательному подсчету продолжаются, в геноме человека, по-видимому, находится примерно от 20 000 до 25 000 генов, кодирующих белки.

Новое исследование проанализировало 3500 образцов микробиома человека, в основном из кишечника и рта. Исследователи описали генетическую неоднородность результатов как «ошеломляющую», обнаружив почти 46 миллионов «не избыточных генов». Еще более поразительным было то, что около 50 процентов всех идентифицированных генов были уникальными для одного человека. Названные синглетоны, эти высокоспецифичные гены, по-видимому, выполняют специализированные функции.

«Некоторые из этих уникальных генов, по-видимому, важны для решения эволюционных задач», — говорит Брэден Тирни, автор нового исследования. «Если микроб должен стать устойчивым к антибиотику из-за воздействия лекарств или внезапно сталкивается с новым избирательным давлением, гены-одиночки могут стать источником генетического разнообразия, из которого микроб может адаптироваться».

Это огромное генетическое разнообразие, обнаруженное в исследовании, было несколько неожиданным. Исследователи выдвигают гипотезу об этой невероятной неоднородности, связанной со способностью бактерий быстро эволюционировать свою ДНК в ответ на условия окружающей среды. По сути, это означает, что один вид бактерий может быть совершенно генетически отличным от человека к человеку, что увеличивает сложность разработки простых терапевтических результатов исследования микробиома.

Соавтор исследования, Алекс Костич, предполагает, что это указывает на будущее, где точные методы лечения для отдельных людей могут учитывать уникальную генетическую структуру их микробиома. «Такая узконаправленная терапия будет основываться на уникальной микробной генетической структуре человека, а не только на бактериальном типе», — добавляет Костич.

Исследователи создали веб-сайт с возможностью поиска, чтобы открыто каталогизировать свои открытия. Эта база данных, озаглавленная «The Universe of Microbial Genes», является лишь началом непростого процесса отслеживания всех генов в коллективном микробиоме человека. Ранние оценки относительно того, сколько именно уникальных генов может существовать, варьируются от консервативных 232 миллионов до цифр, которые быстро становятся настолько абсурдно большими, что превосходят количество звезд в наблюдаемой вселенной.

Проект подтверждает, насколько удивительно сложной оказывается наука о микробиомах. Становится все более очевидным, что бактерии играют невероятно важную роль в нашем организме, начиная с модуляции нашей иммунной системы и заканчивая перевариванием пищи. Но найти способы превратить это понимание в терапевтическое лечение может быть значительно сложнее, чем многие предполагали ранее.

Новое исследование было опубликовано в журнале Cell Host & Microbe.