Прямое микробиологическое секвенирование образцов окружающей среды, например, из морской воды, поверхностей больниц и кишечника человека, пролило свет на огромное количество микробов, присутствующих в нашем мире. Однако виды микробов могут быть генетически разнообразными, и эта вариабельность часто не улавливается во время метагеномного анализа. В исследовании, опубликованном сегодня в Интернете в журнале Genome Research, ученые разработали новый инструмент для изучения генетических различий между видами бактерий и выявления новых моделей передачи в микробиомах матери и ребенка и морских метагеномах, которые ранее не учитывались анализами на уровне видов.
В пределах данного вида бактерий содержание генов может отличаться на 50% или более от эталонного генома. "Это предполагает огромную изменчивость на уровне деформации, которая может иметь реальные функциональные последствия," сказала старший автор Кэтрин Поллард, доктор философии, из институтов Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF). "Мы увидели необходимость в эффективном с вычислительной точки зрения инструменте для количественной оценки этой вариации на основе данных метагеномики дробовика."
Исследователи разработали инструмент MIDAS для быстрого профилирования различий в содержании генов и однонуклеотидных вариантах в разных штаммах бактерий. Для создания MIDAS исследователи сначала создали базу данных из 31 007 высококачественных бактериальных геномов. Используя набор из 30 информативных "универсальный" гены, они иерархически сгруппировали геномы, чтобы определить виды. Исследователи смогли назначить 8.6% ранее не аннотированных геномов для вида и переназначение видов для 9.8%.
Применяя MIDAS к 98 метагеномам стула матери и ребенка, исследователи использовали генетические различия на уровне штаммов для отслеживания бактерий между матерями и младенцами. "Варианты на уровне штамма выявляют закономерности, противоречащие тому, что можно было бы предположить, исходя из паттернов на уровне видов," сказал первый автор Стивен Найфах, аспирант UCSF. Предыдущие исследования показали, что микробиомы матери и ребенка становятся более похожими в течение первого года жизни. Однако, исследуя "маркерные аллели," или редкие генетические различия, исследователи обнаружили, что ранние колонизирующие штаммы передаются от матери, но поздние колонизирующие штаммы отличаются и, вероятно, приобретаются из окружающей среды. "Созревание кишечного микробиома младенца в течение первого года создает впечатление продолжающихся передач от матери," сказал Поллард. "Но генетические варианты бактерий показывают, что приобретенные штаммы часто не совпадают с материнскими."
Исследователи также применили MIDAS к морским образцам, собранным на разной глубине в Мировом океане. Наиболее распространенные морские бактерии имели различия в содержании генов, которые были тесно связаны с географией. Потребуется дополнительная работа, чтобы определить, являются ли генетические различия между местоположениями результатом адаптации или генетического дрейфа внутри вида. "Следующая большая задача – разобраться в силах, которые управляют популяционной структурой в микробиоме, и связать эту изменчивость с особенностями хозяина или окружающей среды," Поллард сказал.