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Lo scambio genico tra i batteri intestinali è legato all’industrializzazione

La frequenza dello scambio genico tra i microbi nell’intestino di una persona è legata al tipo di società in cui vive la persona, secondo un ampio studio internazionale pubblicato il 31 marzo scorso su Cell . 

I ricercatori hanno analizzato il DNA batterico per identificare casi recenti di trasferimento genico orizzontale (HGT), un processo che consente alle singole cellule di mescolare i propri genomi e acquisire nuove funzioni da altri insetti nella comunità microbica senza doversi riprodurre. Il team ha scoperto che le specie nell’intestino si scambiano spesso materiale genetico e che lo fanno di più se vivono all’interno di persone in società industrializzate o urbane che se i loro ospiti risiedono in ambienti rurali o meno sviluppati. 

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“Ciò che è nuovo e davvero impressionante qui” è l’uso da parte del team del sequenziamento dell’intero genoma per studiare migliaia di singoli genomi batterici, afferma Katie Pollard, data scientist del Gladstone Institutes, che non è stata coinvolta nello studio. Sebbene i risultati stessi non siano inaspettati visti i risultati di precedenti lavori su HGT e industrializzazione nel contesto del microbioma umano, “questo documento riunisce tutto e lo conferma in un modo più rigoroso”.  

Vediamo una chiara tendenza all’aumento della frequenza di trasferimento genico orizzontale da zone rurali non industrializzate a urbane industrializzate.

—Mathieu Groussin, MIT

La composizione e la diversità del microbioma intestinale sono ben note per essere legate all’ambiente e allo stile di vita di una persona. Diversi studi hanno dimostrato che le persone che vivono in società più industrializzate tendono ad avere microbiomi meno diversificati, ad esempio, e uno studio del 2018 ha scoperto che le persone che migrano negli Stati Uniti dal sud-est asiatico hanno mostrato un calo della diversità del microbioma entro un anno dall’arrivo. gli autori di quello studio e altri ricercatori hanno suggerito che potrebbe essere collegato a esiti negativi per la salute in queste persone. 

La maggior parte di questi studi si è concentrata principalmente sulla variazione dell’abbondanza di particolari specie batteriche. Il microbiologo del MIT Eric Alm era invece interessato a un ruolo dell’HGT nella formazione dei genomi delle singole specie batteriche nel microbioma intestinale umano.

In questo studio, Alm e colleghi si sono immersi nei dati della Global Microbiome Conservancy (GMbC), un’organizzazione senza scopo di lucro fondata nel 2016 da diversi autori del nuovo documento. Attraverso il GMbC, che lavora con ricercatori di tutto il mondo, il team ha coltivato, isolato e sequenziato più di 4.000 ceppi batterici da campioni di feci di 37 persone in 14 popolazioni.

I ricercatori hanno combinato questo set di dati con i dati di 11 persone che vivono negli Stati Uniti nord-orientali, quindi hanno classificato ciascuna popolazione come industrializzata o meno (come definito dall’Indice di sviluppo umano delle Nazioni Unite ) e urbana o rurale (come misurata dalla densità di popolazione), spiega lo studio. coautrice Mathilde Poyet, microbiologa nel laboratorio di Alm e cofondatrice del GMbC. Gli individui della Finlandia artica, ad esempio, sono stati classificati come industrializzati rurali, mentre le persone che vivono nelle città del Camerun o della Nigeria sono state classificate come urbane non industrializzate.

Per rilevare l’HGT nel microbiota intestinale dei partecipanti, Poyet e colleghi sono andati alla ricerca di lunghe sequenze – 10.000 o più nucleotidi – di DNA condivise da coppie di specie batteriche. Poiché gli alti tassi di mutazione nei batteri in genere portano a divergenze tra il DNA di specie diverse abbastanza rapidamente, tali sequenze condivise suggeriscono un recente scambio genico.

I ricercatori hanno confrontato il numero di sequenze condivise da coppie di specie batteriche all’interno del microbioma di una singola persona con il numero di sequenze condivise dalle stesse coppie di specie tra microbiomi appartenenti a persone diverse e hanno scoperto che il primo era molto più alto, fornendo ulteriori prove che i batteri scambiavano molti geni nelle viscere delle singole persone.

Guardando il set di dati nel suo insieme, i ricercatori hanno scoperto che i microbiomi di persone provenienti da popolazioni più industrializzate e / o più urbane avevano i più alti tassi di scambio genico, afferma il coautore dello studio Mathieu Groussin, microbiologo nel laboratorio di Alm e cofondatore di il GMbC.“Potenzialmente l’effetto è più forte per l’industrializzazione, ma ciò merita ulteriori indagini”, afferma. “Quello che possiamo concludere con certezza, sulla base di questi dati, è che entrambi i fattori contano, e vediamo una chiara tendenza all’aumento della frequenza di trasferimento genico orizzontale da zone rurali non industrializzate a urbane industrializzate”.

Le ragioni dell’aumento dello scambio genico non sono chiare

I dati indicano che l’elevato HGT è determinato da singole specie microbiche che si impegnano in più scambi genetici nei microbiomi industrializzati e / o urbani rispetto a quelle stesse specie nei microbiomi rurali non industrializzati, spiega Groussin. Cioè, non è semplicemente un effetto collaterale delle popolazioni industrializzate che contengono specie particolari che condividono di più.

Il membro del consorzio Shani Sigwazi presenta la missione dell’iniziativa Global Microbiome Conservancy ai membri del suo villaggio natale Hadza in Tanzania.

Mathieu Groussin, cofondatore di Global Microbiome Conservancy, elabora campioni di microbioma in un laboratorio improvvisato durante una gita in Tanzania.

Pollard, il cui team studia l’HGT con approcci metagenomici, osserva che non è chiaro dallo studio cosa potrebbe indurre i batteri a condividere di più in ambienti particolari. I dati dello studio rivelano una relazione positiva tra l’abbondanza di una specie e i suoi tassi di HGT, dice, quindi il risultato può essere parzialmente spiegato dal fatto che i microbiomi industrializzati sono meno diversificati, avendo meno specie con abbondanze relative più elevate che a loro volta condividono più geni. 

Un’altra ipotesi che i ricercatori considerano nel loro articolo, che è stato pubblicato come preprint lo scorso anno, è che aspetti specifici degli stili di vita industrializzati favoriscano l’HGT. Alm ipotizza che le persone nelle società industrializzate possano essere esposte a una più ampia diversità di altre persone in termini di contenuto di microbioma intestinale e che questa esposizione potrebbe promuovere un aumento dello scambio genico nell’intestino. Altri potenziali contributori potrebbero includere diete o altri fattori di stile di vita che influenzano il microambiente del tratto digerente.

Un microbioma adatto allo stile di vita dell’ospite

Molte delle sequenze condivise identificate dal team hanno funzioni ancora sconosciute. Ma concentrandosi sui geni per i quali è nota una funzione, il team ha trovato diversi indizi di adattamento microbico a particolari stili di vita dell’ospite.  

Ad esempio, molti dei microbiomi studiati dal team avevano scambiato geni di resistenza agli antibiotici, ma questo era particolarmente evidente nell’intestino del popolo Datoga nella Tanzania rurale, che ha “recentemente iniziato a usare antibiotici nel proprio bestiame, in particolare la tetraciclina”, afferma Groussin. . “Vediamo molti geni di resistenza agli antibiotici coinvolti nel metabolismo della tetraciclina che vengono scambiati tra i batteri nel loro microbioma intestinale”.

I microbiomi di coorti non industrializzate scambiavano regolarmente geni coinvolti nel metabolismo dei carboidrati, il che potrebbe riflettere la dipendenza di queste società da cibi ricchi di carboidrati complessi come frutta e verdura fresca. E rispetto ai microbiomi non industrializzati, i microbiomi industrializzati hanno scambiato più geni coinvolti nella virulenza batterica, una scoperta che potrebbe avere implicazioni cliniche, afferma Groussin.

Mathilde Poyet, cofondatrice di Global Microbiome Conservancy, coltiva e isola i ceppi batterici intestinali umani in una camera anaerobica.

“È solo un sacco di lavoro che hanno fatto qui”, dice Justin Sonnenburg, un microbiologo presso la Stanford University che non è stato coinvolto nello studio. In particolare, “vedere questo lavoro ampliato in una maggiore diversità di persone in tutto il mondo è super emozionante”. 

Sonnenburg afferma che, oltre alle scoperte del team su HGT, “il potere di questo studio sarà ciò che consentirà in futuro”. Lui e la sua collega e partner di Stanford Erica Sonnenburg hanno teorizzato che i cambiamenti indotti dall’industrializzazione nel microbiota intestinale potrebbero contribuire all’insorgenza del diabete e di altre malattie non trasmissibili comuni in molte società industrializzate. 

I set di dati come il GMbC, che contengono risme di dati genomici dai batteri intestinali, aprono nuove opportunità per studiare queste e altre relazioni tra ambiente, microbioma e salute umana, dice. “Avere questi microbi in mano consentirà davvero questo grande salto nella prossima fase della ricerca sui microbiomi”. 

Per Alm, l’ultimo studio ricorda l’enorme flessibilità dei genomi batterici. Mentre i ricercatori lavorano alla manipolazione del microbioma umano, “penso che dovremo essere in grado di comprendere il sistema in modo più olistico”, dice Alm, aggiungendo che il microbioma è molto più di un semplice elenco di tutte le specie che contiene. Grazie a processi come HGT, “quando si mettono insieme [microbi] in un ecosistema, quei genomi non sono più separati”, dice. “Non sono indipendenti.” 

M. Groussin et al., “Elevate velocità di trasferimento genico orizzontale nel microbioma umano industrializzato”  Cell , doi: 10.1016 / j.cell.2021.02.052, 2021.