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Come ti plasmo l’intestino

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A human bowel between two palms of a woman on white isolated background. The concept of a healthy bowel.

La genetica influenza le funzioni del microbioma intestinale

Una nuova ricerca degli scienziati della Cornell sta esplorando il modo in cui la genetica umana influisce sulle funzioni del microbioma intestinale e sta ampliando la consapevolezza del ruolo che la genetica umana gioca nel plasmare il microbioma.

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I trilioni di singoli organismi che costituiscono il microbioma intestinale di una persona hanno un grande impatto sulla funzione metabolica, sulla malattia e sulla salute generale. Ciò che è stato meno chiaro è come e in che misura il microbioma intestinale sia, a sua volta, modellato dal genoma del suo ospite umano.

Ilana Brito , assistente professore e membro della Facoltà del centenario della famiglia Mong presso la Nancy E. e Peter C. Meinig School of Biomedical Engineering, e i suoi coautori hanno adottato un nuovo approccio per esaminare le interazioni genetiche ospite-microbioma e sono stati in grado di mostrare molti casi in cui un essere umano la composizione genetica dell’ospite ha influenzato direttamente le prestazioni funzionali del microbioma intestinale.

Il loro articolo, ” Effetti collettivi della variazione genomica umana sulla funzione del microbioma “, è stato pubblicato il 9 marzo sulla rivista Scientific ReportsLo studio è stato una collaborazione tra college che ha combinato la conoscenza di Brito del microbioma con l’esperienza della facoltà nella variazione genetica e nella metodologia statistica, rispettivamente, da  Andrew Clark , il professore di genetica della popolazione Jacob Gould Schurman presso il College of Arts and Sciences; e  Martin Wells , il Professore di Scienze Statistiche Charles A. Alexander presso il Dipartimento di Scienze dell’Informazione.

“Quando una malattia o un fenotipo è causato da una singola mutazione genetica, può essere un processo relativamente semplice trovare il gene responsabile”, ha detto Brito. Ma altrettanto spesso, un’intera suite di geni può interagire per provocare malattie o altre espressioni fenotipiche, un meccanismo molto più complesso. All’interno del genoma umano ci sono molte variazioni sequenziali da persona a persona e anche all’interno di cromosomi accoppiati della stessa persona.

Quando una variazione è prodotta dalla sostituzione di un singolo nucleotide, questo è chiamato polimorfismo a singolo nucleotide (SNP). Utilizzando un approccio computazionale e di modellazione unico, il team di Brito è stato in grado di identificare gli SNP correlati a tratti, disturbi e tumori associati al microbioma. In altre parole, sono stati in grado di mostrare gli effetti diretti del genoma umano sulle funzioni del microbioma intestinale.

“Associare la variazione nel genoma umano con la variazione nel microbioma intestinale è stato complicato”, ha detto Clark, “perché le varianti del genoma umano sono correlate tra loro e possono avere funzioni correlate, e anche le specie di batteri nell’intestino sono non indipendenti l’uno dall’altro”.

La novità del presente studio consisteva nell’utilizzare questa struttura nei dati. Si è concentrato sulla funzione del microbioma intestinale rispetto alla composizione genetica di ciascuna specie nell’agglomerato di organismi che forma il microbioma; ha esaminato ampie raccolte di geni umani e il loro effetto sulle funzioni del microbioma invece di esaminare singoli geni; e ha utilizzato un nuovo tipo di strategia per modellare la distribuzione di funzioni e specie all’interno dell’intestino umano.

I modelli precedenti non si adattavano bene alle caratteristiche comuni ai set di dati di sequenziamento metagenomico. Wells ha introdotto l’idea di utilizzare la distribuzione di Tweedie, un tipo di modellazione probabilistica, per tenere conto di queste caratteristiche.

“Il mio gruppo di ricerca ha precedentemente applicato una strategia di modellazione Tweedie nell’elaborazione del linguaggio naturale”, ha affermato Wells. “Sembrava adatto anche qui. Abbiamo scoperto che l’approccio di modellazione di Tweedie era sufficientemente flessibile da catturare la relazione di potenza media-varianza nei taxa metagenomici e nelle abbondanze geniche ed era superiore agli approcci standard”.

Il primo autore dell’articolo è Felicia New, Ph.D. ’21, già parte del gruppo di laboratorio di Brito e secondo autore è Benjamin Baer, ??Ph.D. ’21, un consulente Wells.

“Felicia ha portato l’esperienza su questi microbi, le loro funzioni e la genetica umana, e Benjamin ha portato il background delle statistiche e hanno lavorato insieme per unire le loro competenze e vedere quale approccio specifico avesse senso”, ha detto Brito. “È stato attraverso questa collaborazione che dovevamo fare un ottimo lavoro”.

La ricerca è stata sostenuta da una borsa di studio del National Institutes of Health.