Ultra-tiefe Metagenom-Sequenzierung enthüllt das verschwindende Mikrobiom der Hadza

Forschungs Hintergrund

Die Zusammensetzung des menschlichen Mikrobioms wird stark von verschiedenen Lebensstilen beeinflusst. Aktuelle Mikrobiomforschung konzentriert sich jedoch überwiegend auf westliche industrialisierte Bevölkerungen, die eine bemerkenswert niedrige Mikrobiomvielfalt aufweisen. Um die komplexen Mikrobiomveränderungen, die durch industrialisierte Lebensstile hervorgerufen werden, zu entschlüsseln, ist eine umfassende Untersuchung mit hochauflösendem metagenomischem Sequenzieren unerlässlich. Sie unternahmen eine bahnbrechende Studie, um die mikrobielle Funktion, Wachstumsdynamik und Verbreitungsmuster in einer einzigartigen Population primitiver Menschen, den Hadza, zu erforschen. Die Forschung umfasste die Sequenzierung von bemerkenswerten 351 Hadza-Stuhlproben, was zu beeindruckenden 9,39 Terabyte an metagenomische Daten und insgesamt 83.044 metagenomisch assemblierten Genome (MAGs) sowie zugehörige bioinformatische Erkenntnisse.

Experimentelles Design

Die Hadza, eine der letzten überlebenden Populationen in Afrika, die die Sammeltraditionen unserer menschlichen Vorfahren bewahrt, bildeten den Schwerpunkt unserer Studie. Die Forschungsbemühungen umfassten die Sammlung von 351 Stuhlproben von 167 Individuen, die Verarbeitung und Sequenzierung von 388 DNA-Proben sowie die Gewinnung von 52 gereinigten bakteriellen Isolaten. Die Mikrobiomzusammensetzung aller Proben wurde sorgfältig bewertet, wobei die neu rekonstruierten Genome aus unserer Studie verwendet wurden. metagenomische Daten war akribisch auf eine Reihe von maßgeschneiderten Datenbanken abgestimmt, die die vollständigen Genomsequenzen von artenlevel Vertretern in den bakteriellen/archaealen (n=5.755), Phagen (n=68.461) und eukaryotischen (n=12) Domänen enthielten.

Eine umfangreiche Ressource der Hadza-Darmmikrobiomdaten. (Carter et al., 2023)

Hadza gute mikrobielle Vielfalt

In dieser Untersuchung wurde die mikrobielle Diversität des Darms der Hadza-Population erforscht, wobei der Datensatz mit Informationen aus dem Unified Human Gastrointestinal Genome (UHGG) und dem Metagenomic Global Catalog (MGV) erweitert wurde. Bemerkenswerterweise enthielt das Mikrobiom der Hadza 20,2 % zuvor nicht gelisteter Mikroorganismen, was die erhebliche Tiefe der mikrobiellen Diversität innerhalb dieser Population unterstreicht. Im Gegensatz dazu waren 79,9 % der Mikroorganismen im Mikrobiom der Hadza anerkannte Arten.

Darüber hinaus hat diese Studie das Vorhandensein zuvor unbekannter eukaryotischer Mikroorganismen im Mikrobiom des Hadza-Darms aufgedeckt. Eine umfassende Annotation identifizierte beeindruckende 8,4 Millionen Proteinfamilien, von denen 59,7 % in der Unified Human Gastrointestinal Protein (UHGP)-Datenbank nicht vorhanden sind.

Um weitere Einblicke zu gewinnen, wurde eine vergleichende Analyse durchgeführt, die das Hadza-Mikrobiom mit Stuhlproben aus nepalesischen und kalifornischen Populationen verglich, wobei ein tiefes metagenomisches Sequenzierungsverfahren verwendet wurde. Die Bewertung der Mikrobiomdaten in den bakteriellen/archäalen (n=5.755), Phagen (n=68.461) und eukaryotischen (n=12) Domänen erfolgte unter Verwendung von drei maßgeschneiderten metagenomisch zusammengesetzten Genomdatenbanken (MAG).

Die Hadza-Darmmikrobiota enthält erhebliche Neuheiten aus mehreren Domänen. (Carter et al., 2023)

Die Ergebnisse zeigten eine signifikant höhere Vielfalt an Bakterien, Archaeen und Phagen innerhalb der Hadza-Population im Vergleich zu anderen untersuchten Populationen. Zusammenfassend wiesen die Hadza-Proben eine größere Artenvielfalt an Bakterien, Archaeen, Phagen und nicht klassifizierten Arten bei verschiedenen Sequenzierungstiefen auf, verglichen mit ihren Pendants in anderen Populationen, was die außergewöhnliche mikrobielle Vielfalt innerhalb der Hadza-Population hervorhebt.

VANISH- und BloSSUM-Taxa weisen eine unterschiedliche globale Verbreitung, Phylogenie und funktionale Kapazität auf. (Carter et al., 2023)

Verschwindende Bevölkerungen im Angesicht der Industrialisierung festgestellt

Diese Studie umfasste einen Datensatz von 1.800 Datenpunkten, bestehend aus 950 Proben aus industrialisierten Populationen, 583 Proben aus Übergangspopulationen, 135 Proben von den Hadza und 132 Proben aus anderen Jäger-Sammler-Gemeinschaften, die aus 18 veröffentlichten Studien stammen. Diese Daten wurden in zwei Taxa kategorisiert: VANISH (was Mikroorganismen bezeichnet, die während der Industrialisierung verschwanden, insgesamt 124 Arten) und BloSSUM (was Mikroorganismen bezeichnet, die in der Ära der Industrialisierung ausgewählt wurden, einschließlich 63 Arten). Weitere Analysen zeigten eine überzeugende Korrelation zwischen der Phylogenie und dem Industrialisierungsprozess. Interessanterweise schienen die BloSSUM-Taxa im Übergangsbereich des menschlichen Darms einen Wettbewerbsvorteil gegenüber den VANISH-Taxa zu haben.

Zusätzlich zeigten individuelle KEGG-basierte Analysen, dass 37 bzw. 268 Gene von den VANISH- und BloSSUM-Taxa geteilt wurden. Die VANISH-Taxa waren bemerkenswert mit Peptidase- und sporenbildenden Genen verbunden, während die BloSSUM-Taxa eine ausgeprägte Assoziation mit Antioxidantien- und redoxbezogenen Genen aufwiesen. Die Studie gruppierte diese Gene systematisch in Wege und erleichterte so eine umfassende Set-Anreicherungsanalyse. Die beobachteten Variationen in den Genfunktionen und angereicherten Wegen zwischen den beiden Taxa unterstrichen die funktionale Nicht-Redundanz der BloSSUM-Taxa im Vergleich zu den VANISH-Taxa.

Spirochaetota, die in der Hadza stark verbreitet sind, fehlen in industriellen Proben. (Carter et al., 2023)

Evolution, Replikation und Verbreitung von Darmmikroben in der Hadza-Population

Die Einführung tieferer Sequenzierung und neuartiger metagenomischer Ansätze bestätigte den saisonalen Zyklus der Zusammensetzung der Darmmikroben und der kohlenhydrataktiven Enzyme in der Hadza-Bevölkerung. Darüber hinaus quantifizierte die Studie erstmals den saisonalen Zyklus der in situ Replikationsraten von Darmmikroben in der Hadza-Bevölkerung.

Um Gene zu identifizieren, die unterschiedlichen selektiven Druck innerhalb des Hadza-Mikrobioms erfahren, analysierten wir die pN/pS-Verhältnisse ganzer Gene. Diese Analyse offenbarte Fälle positiver oder diverser Selektion, die wahrscheinlich durch dynamische Veränderungen im Darmumfeld beeinflusst wurden, wie saisonale Schwankungen in der Ernährung, Reaktionen des Immunsystems des Wirts und Strategien, die von Mikroben angewendet werden, um virale Eindringlinge zu umgehen.

Darüber hinaus wurde eine ANI-Analyse durchgeführt, um die Verwandtschaft von Stämmen zwischen familiären und nicht-familiären Personen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Familienmitglieder eine höhere Anzahl homologer Stämme teilten als nicht-familiäre Personen, und sie teilten auch eng verwandte Stämme in größerem Maße als nicht verwandte Individuen. Dies unterstreicht die Bedeutung familiärer Verbindungen und genetischer Verwandtschaft bei der Gestaltung der mikrobiellen Landschaft des Hadza-Darms.

Referenz:

1. Carter, Matthew M., et al. "Ultra-tiefe Sequenzierung von Hadza-Jägern und -Sammlern rekonstruiert verschwindende Darmmikroben." Zelle (2023).