Az egészséges emberi mikrobiom felépítése, funkciója és sokfélesége

Társított adatok

Absztrakt

Egészséges emberek mikrobiális sokfélesége

90 alanyon átívelő 127 nyelvminta metagenomikus leolvasását dolgoztuk fel MetaPhlAn-nal, hogy meghatározzuk az egyes fajok relatív bőségét. A) 11 különálló Streptococcus spp. A tágabb kládok variációja mellett (lásd 2. ábra) az egyes élőhelyeken élő egyes fajok az összetétel változékonyságának széles skáláját mutatják. Az Inset szemlélteti az átlagos nyelvminta összetételét. B) A nyelvi streptococcusok KEGG 28 referenciagenomjában jelen lévő/hiányzó (szürke/fehér) metabolikus modulok a törzs-specifikus funkcionális differenciálódás kiválasztott területeit jelölik. C) Az egyetlen Streptococcus mitis B6 törzs összehasonlító genomiális lefedettsége. A szürke pontok középértéke Kilobázis/millió olvasás (RPKM) 1 kb-os ablakoknál, a szürke sávok a 25–75. Percentilisek az összes mintán, a piros vonal az alacsonyabb szint simított átlaga. Alul a piros sávok kiemelik a jósolt genomi szigeteket 31. A nagy, különálló és erősen változó szigetek általában alulreprezentáltak. D) Két kiemelt sziget, V = V-típusú H + ATPáz I, K, E, C, F, A és B alegységek és CH = kolin-kötő fehérjék cbp6 és cbp12, ami a törzs-specifikus génveszteség funkcionális kohézióját jelzi az egyes emberekben otthont ad.

Az itt alkalmazott szekvenálási mélységben nem észlelték, hogy az összes testelőhely és egyén között taxonok lennének univerzálisan jelen, ellentétben több útvonallal (2. ábra és Supp. 2. ábra, lásd alább), bár több klád széles körű elterjedtséget és viszonylag bőséges hordozási mintákat mutatott ki 7–9. Ehelyett, amint azt az egyenként fókuszált 3–4,6,10–11 tanulmányok sugallják, szinte minden tantárgy mindegyik testének élőhelyét egy vagy néhány, a közösség pluralitását alkotó aláíró taxon jellemezte (3. ábra). A nemzetségi szintű aláírási kládok testtömegük átlagosan 17–84% -ában alakultak ki, egyes közösségekben teljesen hiányoztak (ezen a kimutatási szinten 0%), másokban pedig a teljes populációt (100%). Feltűnő, hogy a kevésbé domináns taxonok szintén személyre szabottak voltak, mind az egyének, mind a test élőhelyei körében; a szájüregben például a legtöbb élőhelyet a Streptococcus uralja, de ezeket bőségesen követi a bukkális nyálkahártyában található Haemophilus, a supragingivális plakkban található Actinomyces és a közvetlenül szomszédos (de kevés oxigént tartalmazó) subgingiva plakkban 12 .

A függőleges sávok a mikrobiómák mintáit testhelyük szerint ábrázolják a hét helyen, puskás és 16S adatokkal egyaránt; a sávok viszonylagos bőséget jeleznek az A) mikrobiális phyla által színezett OTU-kból és B) metabolikus modulokból. A legenda a leggyakoribb phyla/utakat mutatja átlagosan egy vagy több testhelyen; RC = retroauricularis ránc. A legtöbb közösség tagságának többsége egyetlen domináns törzsből (és gyakran nemzetségből áll; lásd Supp. 2. ábra), de ez nem univerzális sem a test összes élőhelye, sem pedig minden egyén számára. Ezzel szemben a legtöbb metabolikus út egyenletesen oszlik el és elterjedt mind az egyének, mind a test élőhelyei között.

A – C) A kládok elterjedtsége (intenzitás, szín, ami a törzset/osztályt jelöli) és bőség, ha vannak (méret) az egészséges mikrobiomban. A leggyakoribb A) metagenomikusan azonosított fajok, B) 16S-azonosított nemzetségek és C) PATRIC 14 „kórokozók” (metagenomikusak). A HMP populációnagysága és szekvenciamélysége jól meghatározta a mikrobiómot az összes vizsgált testhelyen, a hozzáadott D közösség telítettségével értékelve) metabolikus konfigurációk (a metagenomikus EC-mennyiségek minimális Bray-Curtis β-sokféleségének ritkasága a legközelebbi szomszédhoz, interkvartilis tartomány több mint 100 mintán) és E) filogenetikai konfigurációk (min. 16S OTU súlyozott UniFrac távolság a legközelebbi szomszédig).

Specifikus mikrobák szállítása

A mikrobiom anyagcseréje és működése

Az első tanulmány, amely magában foglalja mind a marker gén, mind a metagenomikus adatokat a nagy emberi populáció testhelyein, emellett értékeltük ezen mikrobák metabolikus és funkcionális útvonalainak ökológiáját is. Rekonstruáltuk a közösségi metagenómákban található 26 utak relatív bőségét, amelyek sokkal állandóbbak és egyenletesen változatosabbak voltak, mint a szervezeti bőségek (2B. Ábra, lásd még az 1. ábrát), megerősítve ezt mint a teljes emberi mikrobiom ökológiai tulajdonságát 3. Hasonlóképpen tudtuk megállapítani, hogy a mikrobiális közösségek taxonómiai és funkcionális alfa változatossága szignifikánsan korrelál (az inverz Simpson Spearman-féle r = 0,60, p = 3,6e-67, n = 661), ez utóbbi az előírtabb tartományon belül. közösségi konfigurációk (5. ábra).

Összefüggések a gazda fenotípussal

A legjelentősebben az út és a kláddússágok társulnak (az összes FDR q 1, bár ezeknek tartalmazniuk kell még a gondosan összehangolt belső kontrollokat is. Az egyes egyének mikrobiomjának egyedisége még ebben a referenciapopulációban is azt állítja, hogy a jövőbeni tanulmányok során lehetőség szerint fontolóra kell venni az alanyokon belüli leendő terveket. A HMP a test élőhelyein átívelő, a szervezeti és funkcionális adatok egyedülálló kombinációja, amely magában foglalja mind a 16S, mind a metagenomikus profilalkotást, az egyes alanyok részletes jellemzésével együtt, lehetővé tette számunkra, hogy a későbbi tanulmányok túlmutassanak az emberi mikrobiom változékonyságának megfigyelésén, hogy megkérdezzük, hogyan és miért ezek a mikrobaközösségek annyira változatosak.

Számos részlet maradt a további kitöltendő munkára, erre a referencia tanulmányra építve. Hogyan változik a korai gyarmatosítás és az egész életen át tartó változás a test élőhelyei között? A kedvező vagy ártalmatlan mikrobák epidemiológiai mintázata tükrözi-e a kórokozók terjedésének mintáit? Mely mikrobák együttes előfordulásai tükrözik a környezeti reakciókat, szemben a versengő vagy kölcsönös kölcsönhatásokkal? Milyen nagy szerepet játszik a gazda immunitása vagy a genetika a sokféleség mintázatának kialakításában, és hogyan hasonlítanak az észak-amerikai populációban megfigyelt minták a világ minden táján? A Human Microbiome Project által létrehozott gén- és organizmus-katalógusokra épülő jövőbeni tanulmányok, beleértve a metatranszkriptómok és metaproteómok egyre részletesebb vizsgálatát, segítenek kibontani ezeket a nyitott kérdéseket, és lehetővé teszik számunkra, hogy teljesebben megértsük az emberi mikrobiómák, az egészség és a betegség közötti összefüggéseket.

Módszerek összefoglalása

Mikrobiom mintákat gyűjtöttünk 18 testhelyről egy vagy két időpontban 242 egyéntől, akiket klinikailag átvilágítottak a betegség 2 hiányában. A mintákat 16S rRNS-gén piroszekvenálásnak vetettük alá (454 Life Sciences), és az Illumina GAIIx 1 platform segítségével metagenomika céljából egy puskát szekvenáltunk. A 16S adatfeldolgozást és a diverzitás becsléseket a QIIME 27 alkalmazásával végeztük, a metagenomikus adatokat pedig taxonómiailag profiloztuk a MetaPhlAn 13 alkalmazásával, metabolikusan a HUMAnN 26 profiljával, és a gén annotációjához, valamint egy egyedi katalógusba 1 csoportosítottuk. A potenciális kórokozókat a PATRIC 14 adatbázis, a KEGG 28-ból vett referenciagenom-annotációk izolálása és a BWA 29 által végrehajtott referencia-genom-leképezés segítségével csökkentett genomkészlethez hasonlítottuk össze, amelyhez a rövid leolvasások illeszthetők 30. A mikrobiális asszociációkat hasonlósági mérésekkel értékeltük, a kompozíciót 23, és a fenotípusos asszociációs teszteket R.-ben végeztük. Minden adat és a protokoll további részletei a http://hmpdacc.org oldalon érhetők el. Teljes módszerek kísérik ezt a cikket.

Kiegészítő anyag

Köszönetnyilvánítás

A Human Microbiome Project Consortium

Lábjegyzetek

1 Biostatisztika, Harvard School of Public Health, Boston MA

2 The Broad Institute of MIT és Harvard, Cambridge MA

3 Kémiai és Biokémiai Tanszék, Colorado Egyetem, Boulder CO

4 Howard Hughes Orvosi Intézet, Boulder, CO

5 Genomi Intézet, Washington Egyetem Orvostudományi Kar, St. Louis MO

6 J. Craig Venter Intézet, MD, Rockville

7 Genomatudományi Intézet, Maryland Egyetem Orvostudományi Kar, Baltimore MD

8 Human Genome Sequencing Center, Baylor College of Medicine, Houston, TX

9 Patológiai és immunológiai osztály, Baylor College of Medicine, Houston, TX

10 Patológiai Osztály, Texas Gyermekkórház, Houston, TX

11 Szülészeti és Nőgyógyászati Osztály, Anya-Magzati Orvostudományi Osztály, Baylor College of Medicine, Houston, TX

12 Molekuláris és sejtbiológia, Guelph Egyetem, Guleph, Kanada

13 Civil és Környezetmérnöki Tanszék, Massachusettsi Műszaki Intézet, Cambridge MA

14 Környezeti Biotechnológiai Központ, Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, Berkeley CA

15 Fogorvosi Iskola, Kaliforniai Egyetem, San Francisco, San Francisco, CA

16 Molekuláris virológia és mikrobiológia, Baylor College of Medicine, Houston, TX

17 Országos Arthritis, Mozgásszervi és Bőrintézet, National Institute of Health, Bethesda MD

18 A női egészség kutatásának irodája, National Institute of Health, Bethesda MD

19 Országos Allergia és Fertőző Betegségek Intézete, Országos Egészségügyi Intézetek, Bethesda MD

20 Orvostudományi Tanszék, New York University Langone Medical Center, New York NY

21 Nemzeti Emberi Genomkutató Intézet, Országos Egészségügyi Intézetek, Bethesda MD

22 Statisztikai Tudományok és Operációkutatás Tanszék, Virginia Commonwealth University, Richmond, VA

23 A biológiai komplexitás vizsgálatának központja, Virginia Commonwealth University, Richmond, VA

24 Biológiai Tanszék, Virginia Commonwealth University, Richmond, VA

25 Technológiai Integrációs Csoport, Nemzeti Energetikai Kutatási Tudományos Számítási Központ, Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, Berkeley Kalifornia

26 Genomtudományi Csoport, Bioscience Division, Los Alamos Nemzeti Laboratórium, Los Alamos NM

27 Joint Genome Institute, Walnut Creek CA

28 Biológiai Adatkezelési és Technológiai Központ, Számítástechnikai Kutatási Osztály, Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, Berkeley CA

29 Nemzeti Fogorvosi és Kraniofaciális Kutatóintézet (NIDCR), Országos Egészségügyi Intézet, Bethesda MD

30 FemCare termékbiztonsági és szabályozási ügyek, The Procter & Gamble Company, Cincinnati, OH

31 Bioinformatikai Osztály, Second Genome, Inc., San Bruno, CA

32 Molekuláris Genetikai Tanszék, Forsyth Intézet, Cambridge MA

33 Harvard School of Dental Medicine, Orális Orvostudományi, Fertőzés- és Immunológiai Osztály, Boston MA

34 Orvostudományi Osztály, Általános Orvostudományi Osztály, Washington Egyetem Orvostudományi Kar, St. Louis MO

35 Pathology & Immunology Department, Washington University School of Medicine, St. Louis MO

36 bioMerieux, Inc., Durham, NC

37 drive5.com, Tiburon, CA

38 Etikai, humán és szellemi gondozási központ, Cleveland Clinic, Cleveland, OH

39 Strukturális Biológiai Tanszék, VIB, Belgium, Brüsszel, Belgium

40 Alkalmazott Biológiai Tudományok Tanszék (DBIT), Vrije Universiteit Brussel, Brüsszel, Belgium

41 Bioinformatikai és Genomikai Tanszék, University of North Carolina - Charlotte, Charlotte NC

42 Idahói Egyetem Biológiai Tudományok Tanszéke, Moszkva ID

43 Számítási és rendszerbiológia, Massachusettsi Műszaki Intézet, Cambridge MA

44 Haladó Fogorvosképzési Központ, Saint Louis University, St. Louis MO

45 Számítógéptudományi Tanszék, Colorado Egyetem, Boulder CO

46 Társult Klinikai Specialitások és Fogászati Kutatóintézet osztálya, UCLA Fogorvosi Iskola, Los Angeles, Kalifornia

47 Marylandi Egyetem Francis King Carey Jogi Iskola, Baltimore MD

48 Josephine Bay Paul Center, Tengeri Biológiai Laboratórium, Woods Hole MA

49 Ökológiai Tanszék, Földtudományi Osztály, Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, Berkeley CA

50 A Texasi Egyetem Egészségügyi Tudományos Központ Fogorvosi Iskola parodontológiai tanszéke, Houston, TX

51 Biológiai Tanszék, San Diego Állami Egyetem, San Diego, Kalifornia

52 Orvostudományi Kar, McGill Egyetem, Montreal, Kanada

53 Dermatology Branch, CCR, National Cancer Institute, Bethesda MD

54 Mikrobiológiai Tanszék, Cornell Egyetem, Ithaca, NY

55 Bioinformatikai és Számítási Biológiai Központ, Marylandi Egyetem, MD, College Park

56 Fertőző betegségek osztálya, Bostoni Gyermekkórház, Harvard Medical School, Boston MA

57 Antropológiai Tanszék, Oklahoma Egyetem, Norman OK

58 Szülészeti és Nőgyógyászati Osztály, Washington Egyetem Orvostudományi Kar, Saint Louis MO

59 Gasztroenterológiai és hepatológiai osztály, Alabamai Egyetem, Birmingham, Birmingham, AL

60 Orvosi etikai és egészségpolitikai központ, Baylor College of Medicine, Houston, TX

61 Medicine-Infectious Disease, Baylor College of Medicine, Houston TX

62 Biosciences Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge TN

63 Gladstone Intézetek, Kaliforniai Egyetem, San Francisco, San Francisco, CA

64 Humángenetikai Intézet, Kaliforniai Egyetem, San Francisco, San Francisco CA

65 Biostatisztikai részleg, Kaliforniai Egyetem, San Francisco, San Francisco CA

66 Számítástudományi Tanszék, Marylandi Egyetem, College Park, MD

67 Informatikai és Számítástechnikai Iskola, Indiana Egyetem, Bloomington IN

68 Mount Sinai Orvostudományi Kar, New York, NY

69 Molecular & Human Genetics, Baylor College of Medicine, Houston, TX

70 Bioetikai Központ és Orvosi Etikai Tanszék, Pennsylvaniai Egyetem, Philadelphia, PA

71 Mikrobiológiai és Immunológiai Tanszék, Michigani Egyetem, Ann Arbor MI

72 Mikrobiológiai és Molekuláris Genetikai Tanszék, Michigan Állami Egyetem, East Lansing MI

73 Az EMMES Corporation, MD, Rockville

74 Harper Egyetemi Kórház, Wayne Állami Egyetem Orvostudományi Kar, Detroit MI, Detroit MI

75 McKusick-Nathans Genetikai Intézet, Johns Hopkins Egyetem Orvostudományi Kar, Baltimore MD

76 J. Craig Venter Intézet, San Diego, Kalifornia

77 Feinberg Orvostudományi Kar, Northwestern University, Chicago IL

78 Alkek Metagenomikai és Mikrobiomkutatási Központ, Baylor College of Medicine, Houston, TX

A kiegészítő információk a cikk online változatához kapcsolódnak a www.nature.com/nature címen.

Szerző közreműködései

Vezető nyomozók: BWB, RAG, SKH, BAM, KEN, JFP, GMW, OW, RKW A kézirat előkészítése: DG, CH, RK, OW

Finanszírozó ügynökségek kezelése: CCB, TB, VB, JLC, SC, CD, VDF, CG, MYG, RDL, JM, PM, JP, LMP, JAS, LW, CW, KAW

Projektvezetés: SA, JHB, BWB, ATC, HHC, AME, MGF, RSF, DG, MGG, KH, SKH, CH, EAL, RM, VM, JCM, BAM, MM, DMM, KEN, JFP, EJS, JV, GMW, OW, AMW, KCW, JRW, SKY, QZ

A kézirat elemzésének előkészítése: JCC, KF, DG, AG, KHH, CH, RK, DK, HHK, OK, KPL, REL, JR, JFS, PDS, NS

Adatközlés: LA, TB, IAC, KC, HHC, NJD, DJD, AME, VMF, LF, JMG, SG, SKH, MEH, CJ, VJ, CK, AAM, VMM, TM, MM, DMM, JO, KP, JFP, CP, XQ, RKS, NS, IS, EJS, DVW, OW, KW, KCW, CY, BPY, QZ

Módszerek és kutatásfejlesztés: SA, HMA, MB, DMC, AME, RLE, MF, SF, MGF, DCF, DG, GG, BJH, SKH, MEH, WAK, NL, KL, VM, ERM, BAM, MM, DMM, CN, JFP, európai parlamenti képviselő, XQ, MCR, CR, EJS, SMS, DGT, DVW, GMW, YW, KMW, SY, BPY, SKY, QZ

DNS-szekvencia előállítás: SA, EA, TA, TB, CJB, DAB, KDD, SPD, AME, RLE, CNF, SF, CCF, LLF, RSF, BH, SKH, MEH, VJ, CLK, SLL, NL, LL, DMM, IN, CN, MO, JFP, XQ, JGR, YR, MCR, DVW, YW, BPY, YZ

Klinikai mintagyűjtés: KMA, MAC, WMD, LLF, NG, HAH, ELH, JAK, WAK, TM, ALM, PM, SMP, JFP, GAS, JV, MAW, GMW

Testhely szakértői: KMA, EAV, GA, LB, MJB, CCD, FED, LF, JI, JAK, SKH, HHK, KPL, PJM, JR, TMS, JAS, JDS, JV

Etikai, jogi és társadalmi vonatkozások: RMF, DEH, WAK, NBK, CML, ALM, RR, PS, RRS, PS, LZ

Törzskezelés: EAV, JHB, IAC, KC, SWC, HHC, TZD, ASD, AME, MGF, MGG, SKH, VJ, NCK, SLL, LL, KL, EAL, VMM, BAM, DMM, KEN, IN, IP, LS, EJS, CMT, MT, DVW, GMW, AMW, YW, KMW, BPY, LZ, YZ

16S adatelemzés: KMA, EJA, GLA, CAA, MB, BWB, JPB, GAB, SRC, SC, JC, TZD, FED, ED, AME, RCE, MF, AAF, JF, HG, DG, BJH, TAH, SMH, CH, JI, JKJ, STK, SKH, RK, HHK, OK, PSLR, REL, KL, CAL, DM, BAM, KAM, MM, MP, JFP, MP, KSP, XQ, KPR, MCR, BR, PDS, TMS, NS, JAS, WDS, TJS, CSS, EJS, RMT, JV, TAV, ZW, DVW, GMW, JRW, KMW, YY, SY, YZ

Puskás adatfeldolgozás és igazítás: CJB, JCC, ED, DG, AG, MEH, HJ, DK, KCK, CLK, YL, JCM, BAM, MM, DMM, JO, JFP, XQ, JGR, RKS, NUS, IS, EJS, GGS, SMS, JW, ZW, GMW, OW, KCW, TW, SKY, LZ

Összeszerelés: HMA, CJB, PSC, LC, YD, SPD, MGF, MEH, HJ, SK, BL, YL, CL, JCM, JMM, JRM, PJM, MM, JFP, MP, MEP, XQ, MR, RKS, MS, DDS, GGS, SMS, CMT, TJT, WW, GMW, KCW, LY, YY, SKY, LZ

Megjegyzés: OOA, VB, CJB, IAC, ATC, KC, HHC, ASD, MGG, JMG, JG, AG, SG, BJH, KH, SKH, CH, HJ, NCK, RM, VMM, KM, TM, MM, JO, KP, MP, XQ, NS, EJS, GGS, SMS, MT, GMW, KCW, JRW, CY, SKY, QZ, LZ

WGS metabolikus rekonstrukció: SA, BLC, JG, CH, JI, BAM, MM, BR, AMS, NS, MT, GMW, SY, QZ, JDZ

Szerző információk

Az ebben a vizsgálatban felhasznált összes adat a Human Microbiome Project Data Analysis and Coordination Center 1-ből érhető el. Az újranyomtatási és engedélyezési információk a www.nature.com/reprints webhelyen érhetők el.

A szerzők kijelentik, hogy nincsenek versengő pénzügyi érdekeik.