RExMap revela los secretos del microbioma intestinal: Revelando su influencia global en la salud

Varios estudios han indicado la importancia de los microbios intestinales en el mantenimiento de la salud humana. Estos microbios también están asociados con procesos fisiológicos fundamentales, como el envejecimiento, la respuesta a fármacos, la nutrición y los estados fisiopatológicos (p. ej., enfermedades cardiovasculares, metabólicas, oncológicas, neurológicas y autoinmunes). Para comprender mejor los efectos causales entre los microbios intestinales y los resultados de las enfermedades, se necesita una identificación de alta resolución de microbios en el intestino humano para formular intervenciones eficaces para prevenir o curar enfermedades.

Estudiar: Reconstruyendo el paisaje de especies microbianas intestinales en 29,000 individuos diversos. Crédito de la imagen: SawPro/Shutterstock

Fondo

La técnica de secuenciación de escopeta del genoma completo (WGS) se puede utilizar para mapear especies microbianas. Sin embargo, esta técnica requiere una amplia cobertura de secuenciación y un extenso trabajo computacional, lo que impide su aplicación a muestras a escala de población que comprenden decenas de miles de individuos.

Los microbiomas humanos de varias poblaciones podrían estudiarse utilizando la técnica de secuenciación de amplicón 16S. Esta técnica utiliza la PCR para amplificar y secuenciar las regiones hipervariables de los genes del ARNr 16S bacteriano. Los datos de secuenciación de amplicón se procesan a través de canalizaciones comunes, como Mothur, QIIME2 y DADA2, junto con la reconstrucción computacional. Se realiza una asignación taxonómica mediante la construcción de un árbol filogenético utilizando bases de datos como Greengenes, RDP y SILVA.

La técnica de secuenciación 16S ayuda a detectar cambios en la diversidad microbiana en los fenotipos humanos. Sobre todo, permite la identificación de componentes vitales del genoma humano a nivel de familia o género. Sin embargo, esta técnica no logra diferenciar microbios a un nivel de especie más fino, por lo que no se puede utilizar para mapear secuencias microbianas a nivel de especie.

El avance de las técnicas de secuenciación molecular ha llevado a un aumento exponencial en la disponibilidad de aislados microbianos intestinales completamente secuenciados. Más de un gen 16S está presente en los genomas de varias cepas microbianas individuales, lo que revela una variación en el número de copias de las regiones hipervariables 16S. Dados estos hallazgos, un estudio reciente planteó la hipótesis de que esta variación microbiana podría considerarse para identificar una diferenciación más fina de los datos de amplicón 16S. Esto permitiría mapear los niveles de deformación, lo que antes no era posible.

un nuevo estudio

Un reciente Investigación de ácidos nucleicos El estudio desarrolló una base de datos RExMap (Mapeo exacto basado en referencias) de variantes de la región hipervariable 16S y sus números de copia. Esta base de datos se derivó de más de 170 000 genomas de cepas de aislados microbianos obtenidos de la base de datos del genoma del NCBI. Este estudio utilizó la base de datos RExMap para mapear microbios a nivel de especie.

Muchas cepas microbianas en la base de datos RExMap comparten regiones hipervariables 16S y números de copias similares. Introdujeron el término “unidad de tensión operativa” (OSU) para las cepas que no se pueden diferenciar basándose únicamente en las regiones hipervariables 16S. Curiosamente, las OSU contienen no solo cepas microbianas relacionadas, sino también microbios filogenéticamente distantes, lo que podría deberse a la transferencia horizontal de genes del gen 16S o a una asignación taxonómica incorrecta.

El RExMap vincula secuencias de muestras biológicas para hacer coincidir con precisión las cepas microbianas y ayudar en la validación experimental. Además, puede volver a analizar los datos 16S existentes con metanálisis a gran escala y homogeneización de datos de secuenciación. Este enfoque ha permitido el desarrollo de un paisaje detallado del microbioma intestinal humano que representa decenas de miles de microbios únicos.

El estudio actual utilizó RExMap para volver a analizar los datos existentes del microbioma intestinal humano 16S de 29 349 individuos obtenidos de diez estudios realizados en dieciséis regiones diferentes del mundo.

Resultados del estudio

Un análisis RExMap de los datos del microbioma 16S pudo capturar aproximadamente el 75 % de las especies detectadas usando WGS dentro del 1 % de la profundidad de secuenciación. Este enfoque evita las asignaciones taxonómicas y se centra en la coincidencia exacta o cercana de las secuencias de amplicón 16S presentes en la base de datos RExMap. El estudio actual observó que los microbios intestinales humanos difieren en diferentes regiones del mundo. En particular, ciertos microbios intestinales se encuentran en abundancia en una región específica.

Se ha demostrado que un conjunto básico de quince microbios está altamente conservado entre todos los humanos, independientemente de la región geográfica, la genética del huésped, la demografía, la dieta, el medio ambiente y el estilo de vida. Estos microbios juegan un papel vital en la homeostasis metabólica del huésped. Por lo general, los microbios centrales se establecen en los intestinos de los bebés y se mantienen durante toda la vida, con abundancia diferencial. La prevalencia y la abundancia de microbios centrales se validaron mediante un enfoque de indexación del genoma completo, es decir, WGS y Kraken2.

Varios microbios pertenecientes al filo Bacteroidetes, como Prevotella copri y Bacteroides especies, no se correlacionaron con ninguna región en particular. Eubacterias rectales Y Faecalibacterium prausnitzii son dos microbios principales asociados con un estado de enfermedad específico. Oscilibacterium sp. ER4, Fusicatenibacter saccharivorans, Blautia faecis, Rombutsia timonensisY anerostipia de Hadrus son microbios esenciales relacionados con la fisiología del huésped.

conclusión

El análisis basado en RExMap tiene varias limitaciones, incluida su capacidad reducida para mapear especies microbianas presentes en nichos con pocas cepas, como los ecosistemas acuáticos y del suelo. Además, existe una limitación en el mapeo de microbios que carecen de una secuencia 16S completa o genómica. Sin embargo, los usuarios finales actualizan continuamente la base de datos de RExMap y agregan nuevos genomas microbianos según estén disponibles.

El estudio actual concluyó que los microbios intestinales humanos se segregan entre regiones occidentalizadas y no occidentalizadas. Se han identificado distintas especies y cepas microbianas que son exclusivas de regiones geográficas particulares. Además, se ha descubierto un conjunto central de microbios a nivel de especie que comúnmente comparten los humanos, independientemente del estilo de vida, el medio ambiente o las regiones geográficas. Estos microbios generalmente se establecen al nacer y están asociados con el metabolismo nutricional.