RExMap desvela 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.

Para estudiar: Reconstruyendo el paisaje de especies microbianas intestinales en 29,000 individuos diversos. Haber de imagen: SciePro/Shutterstock

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

Los microbiomas humanos en diversas poblaciones se pueden estudiar mediante la técnica de secuenciación de amplicón 16S. Esta técnica utiliza PCR para amplificar y secuenciar regiones hipervariables de genes de 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 entre los fenotipos humanos. Es importante destacar que 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.

Los avances en las técnicas de secuenciación molecular han 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. Teniendo en cuenta 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 el nivel de deformación, lo que antes no era posible.

Un nuevo estudio

un reciente Investigación de ácidos nucleicos El estudio desarrolló una base de datos de mapeo exacto basado en referencias (RExMap) de las 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 microbianas aisladas 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 de la base de datos RExMap comparten regiones hipervariables 16S y números de copias similares. Introdujeron el término ‘Unidad de tensión operativa’ (OSU) para aquellas cepas que no se pueden diferenciar sobre la base de las regiones hipervariables 16S únicamente. Curiosamente, las OSU contienen no solo cepas microbianas relacionadas, sino también microbios filogenéticamente distantes, lo que puede deberse a la transferencia horizontal de genes del gen 16S o a una asignación taxonómica incorrecta.

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, responsable de 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 mediante WGS a menos del 1 % de 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 señaló que los microbios intestinales humanos difieren entre las regiones del mundo. En particular, algunos microbios intestinales se encuentran abundantemente en una región específica.

Se descubrió que un conjunto básico de quince microbios está altamente conservado en todos los humanos, independientemente de su 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. Normalmente, los microbios centrales se asientan en el intestino de los bebés y se mantienen durante toda la vida, con abundancia diferencial. La prevalencia y la abundancia de los microbios centrales se validaron mediante un enfoque basado en la 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 una región en particular. Eubacterium rectale Es Faecalibacterium prausnitzii son dos microbios principales que están asociados con un estado de enfermedad específico. Oscilabacter sp. ER4, Fusicatenibacter saccharivorans, Blautia faecis, rombutsia timonensisEs anerostipes hadrus son microbios centrales que están vinculados a la fisiología del huésped.

Conclusiones

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 terrestres. Además, existe una limitación en el mapeo de microbios que no tienen una secuencia genómica o 16S completa. Sin embargo, los usuarios finales actualizan continuamente la base de datos de RExMap, agregando nuevos genomas microbianos a medida que están 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 específicas. Además, se descubrió un conjunto de microbios centrales a nivel de especies que comúnmente comparten los humanos, independientemente del estilo de vida, el medio ambiente o las regiones geográficas. Estos microbios normalmente se establecen al nacer y están asociados con el metabolismo nutricional.