Secvențierea genomului creează primele date de referință pentru microbii care trăiesc cu adulți sănătoși.

proiectul

Microbii locuiesc aproape în fiecare parte a corpului uman, trăind pe piele, în intestin și în nas. Uneori provoacă boală, dar de cele mai multe ori, microorganismele trăiesc în armonie cu gazdele lor umane, oferind funcții vitale esențiale pentru supraviețuirea umană. Pentru prima dată, un consorțiu de cercetători organizat de Institutele Naționale de Sănătate a cartografiat structura microbiană normală a oamenilor sănătoși, producând numeroase perspective și chiar câteva surprize.

Cercetătorii au descoperit, de exemplu, că aproape toată lumea transportă în mod obișnuit agenți patogeni, microorganisme despre care se știe că provoacă boli. Cu toate acestea, la persoanele sănătoase, agenții patogeni nu cauzează boli; pur și simplu coexistă cu gazda lor și cu restul microbiomului uman, colecția tuturor microorganismelor care trăiesc în corpul uman. Cercetătorii trebuie acum să-și dea seama de ce anumiți agenți patogeni devin mortali și în ce condiții, revizuind probabil conceptele actuale ale modului în care microorganismele provoacă boli.

Într-o serie de rapoarte științifice coordonate publicate la 14 iunie 2012, în Nature și în mai multe reviste din Public Library of Science (PLoS), aproximativ 200 de membri ai Consorțiului Human Microbiome Project (HMP) din aproape 80 de universități și instituții științifice raportează cinci ani de cercetare. HMP a primit 153 milioane de dolari de la lansarea sa în anul fiscal 2007 de la Fondul comun NIH, care investește în cercetare trans-NIH cu impact ridicat, inovatoare. Instituțiile și centrele individuale NIH au oferit o sumă suplimentară de 20 de milioane de dolari în cofinanțare pentru cercetarea consorțiului HMP.

„Asemenea cercetătorilor din secolul al XV-lea care descriu conturul unui nou continent, cercetătorii HMP au folosit o nouă strategie tehnologică pentru a defini, pentru prima dată, structura microbiană normală a corpului uman”, a declarat directorul NIH Francis S. Collins, MD, Ph. D. D. HMP a creat o baza de date de referinta remarcabila folosind tehnici de secventiere a genomului pentru a detecta microbii la voluntari sanatosi. Acest lucru pune bazele pentru accelerarea cercetării bolilor infecțioase imposibile anterior fără această resursă comunitară. ”

Metode și rezultate

Corpul uman conține trilioane de microorganisme - depășind numărul celulelor umane cu 10-1. Cu toate acestea, din cauza dimensiunilor lor mici, microorganismele reprezintă doar aproximativ 1-3% din masa corpului (la un adult de 200 de kilograme, adică 2 până la 6 kilograme de bacterii), dar joacă un rol vital în sănătatea umană.

Pentru a defini microbiomul uman normal, cercetătorii HMP au prelevat 242 de S.U.A. sănătoși voluntari (129 bărbați, 113 femei), colectând țesuturi din 15 locuri ale corpului la bărbați și 18 locuri ale corpului la femei. Cercetătorii au colectat până la trei eșantioane de la fiecare voluntar în locuri cum ar fi gura, nasul, pielea (două în spatele fiecărei urechi și fiecare cot interior), și intestinul inferior (scaun) și trei locuri vaginale la femei; fiecare sit al corpului poate fi locuit de organisme la fel de diferite ca cele din pădurea tropicală amazoniană și deșertul Sahara.

Din punct de vedere istoric, medicii au studiat microorganismele la pacienții lor prin izolarea agenților patogeni și creșterea lor în cultură. Acest proces minuțios identifică de obicei doar câteva specii microbiene, deoarece acestea sunt greu de crescut în laborator. În HMP, cercetătorii au purificat tot ADN-ul uman și microbian în fiecare dintre cele peste 5.000 de probe și le-au analizat cu mașini de secvențare a ADN-ului. Folosind computere, cercetătorii au sortat prin intermediul bazelor de date 3.5 de date ale secvenței genomului pentru a identifica semnale genetice specifice găsite numai în bacterii - genele variabile ale ARN ribozomal bacterian numit ARNr 16S. ARN ribozomal bacterian ajută la formarea structurilor celulare care produc proteine ​​și pot identifica prezența diferitelor specii microbiene.

Concentrarea asupra acestei semnături microbiene a permis cercetătorilor HMP să ignore secvențele genomului uman și să analizeze doar ADN-ul bacterian. În plus, secvențierea metagenomică sau secvențierea întregului ADN într-o comunitate microbiană le-a permis cercetătorilor să studieze capacitățile metabolice codificate în genele acestor comunități microbiene.

„Metodele de secvențiere a genomului dezvoltate recent oferă acum un obiectiv puternic pentru a privi microbiomul uman”, a spus Eric D. Green, MD, Ph.D., director al Institutului Național de Cercetare a Genomului Uman, care a gestionat HMP pentru NIH. „Scăderea uimitoare a costului secvențierii ADN a făcut posibil tipul de sondaj la scară largă realizat de Proiectul Microbiomului Uman”.

Acolo unde medicii izolaseră anterior doar câteva sute de specii bacteriene din corp, cercetătorii HMP calculează acum că peste 10.000 de specii microbiene ocupă ecosistemul uman. Mai mult, cercetătorii calculează că au identificat între 81 și 99 la sută din toate genurile microorganismale la adulții sănătoși.

„Am definit limitele variației microbiene normale la oameni”, a spus James M. Anderson, MD, Ph.D., director al Diviziei NIH de coordonare a programelor, planificare și inițiative strategice, care include Fondul comun NIH. Acum avem o idee foarte buna despre ceea ce este normal pentru o populatie sanatoasa din Vest si incepem sa invatam cum se coreleaza schimbarile microbiomului cu fiziologia si boala.

Cercetătorii HMP au raportat, de asemenea, că această multitudine de microbi contribuie cu mai multe gene responsabile de supraviețuirea umană decât contribuie oamenii. În cazul în care genomul uman transportă aproximativ 22.000 de gene care codifică proteinele, cercetătorii estimează că microbiomul uman contribuie cu aproximativ 8 milioane de gene unice care codifică proteinele sau de 360 ​​de ori mai multe gene bacteriene decât genele umane.

Această contribuție genomică bacteriană este esențială pentru supraviețuirea umană. Genele transportate de bacterii în tractul gastro-intestinal, de exemplu, permit oamenilor să digere alimente și să absoarbă nutrienți care altfel ar fi indisponibili.

„Oamenii nu au toate enzimele de care avem nevoie pentru a digera propria noastră dietă”, a spus Lita Proctor, Ph.D., managerul de programe HMP al NHGRI. „Microbii din intestin descompun multe dintre proteinele, lipidele și carbohidrații din dieta noastră în substanțe nutritive pe care le putem absorbi apoi. Mai mult, microbii produc compuși benefici, cum ar fi vitaminele și antiinflamatoarele pe care genomul nostru nu le poate produce. ” Antiinflamatoarele sunt compuși care reglează o parte din răspunsul sistemului imunitar la boli, cum ar fi umflarea.

Cercetătorii au fost surprinși să descopere că distribuția activităților metabolice microbiene contează mai mult decât speciile de microbi care le furnizează. În intestinul sănătos, de exemplu, va exista întotdeauna o populație de bacterii necesare pentru a ajuta la digerarea grăsimilor, dar este posibil să nu fie întotdeauna aceeași specie bacteriană care îndeplinește această activitate.

„Se pare că bacteriile se pot ciupi reciproc”, a spus Curtis Huttenhower, Ph.D., de la Școala de Sănătate Publică de la Harvard și co-autor principal pentru una dintre lucrările HMP din Nature. „Contează dacă funcția metabolică este prezentă, nu speciile microbiene care o asigură”.

Mai mult, componentele microbiomului uman se modifică în mod clar în timp. Atunci când un pacient este bolnav sau ia antibiotice, speciile care formează microbiomul se pot schimba substanțial pe măsură ce o specie bacteriană sau alta este afectată. În cele din urmă, cu toate acestea, microbiomul revine la o stare de echilibru, chiar dacă compoziția anterioară a tipurilor de bacterii nu.

Aplicații clinice

Ca parte a HMP, NIH a finanțat o serie de studii pentru a căuta asociații ale microbiomului cu boli și mai multe lucrări PLoS includ rezultate medicale. De exemplu, cercetătorii de la Baylor College of Medicine din Houston au comparat modificările microbiomului vaginal la 24 de femei însărcinate cu 60 de femei care nu erau însărcinate și au constatat că microbiomul vaginal suferă o schimbare dramatică a speciilor bacteriene în pregătirea pentru naștere, caracterizată în principal prin scăderea diversității speciilor. Un nou-născut este un burete bacterian, deoarece își populează propriul microbiom după părăsirea uterului steril; trecerea prin canalul de naștere oferă bebelușului prima doză de microbi, deci este posibil să nu fie surprinzător faptul că microbiomul vaginal a evoluat pentru a-l face un pasaj sănătos.

Cercetători la Școala de Medicină a Universității Washington din St. Louis a examinat microbiomul nazal al copiilor cu febră inexplicabilă, o problemă frecventă la copiii cu vârsta sub 3 ani. Probele nazale de la copiii cu febră conțineau până la cinci ori mai mult ADN viral decât copiii fără febră, iar ADN-ul viral provenea dintr-o gamă mai largă de specii. Studiile anterioare arată că virusurile au intervale de temperatură ideale în care să se reproducă. Febra face parte din apărarea organismului împotriva virușilor patogeni, astfel încât testele rapide pentru încărcătura virală pot ajuta copiii să evite un tratament inadecvat cu antibiotice care nu ucid virusii, dar pot dăuna microbiomului sănătos al copilului.

Acestea se numără printre primele studii clinice care utilizează date despre microbiomi pentru a-și studia rolul în boli specifice. NIH a finanțat multe alte studii medicale folosind date și tehnici HMP, inclusiv rolul microbiomului intestinal în boala Crohn, colita ulcerativă și cancerul esofagian; microbiomul pielii în psoriazis, dermatită atopică și imunodeficiență; microbiom urogenital în istoria reproductivă și sexuală și circumcizie; și o serie de tulburări ale copilăriei, inclusiv dureri abdominale pediatrice, inflamații intestinale și o afecțiune severă la sugarii prematuri în care intestinul moare de fapt.

„Activarea studiilor specifice bolii este întregul punct al Proiectului Microbiomului Uman”, a declarat Barbara Methe, Ph.D., de la Institutul J. Craig Venter, Rockville, MD, și co-autor al lucrării Nature privind cadrul pentru cercetarea actuală și viitoare a microbiomului uman. Acum, că înțelegem cum arată microbiomul uman normal, ar trebui să putem înțelege modul în care modificările microbiomului sunt asociate sau chiar cauzează boli.

Fondul comun NIH a investit, de asemenea, într-o serie de studii pentru a evalua implicațiile etice, juridice și sociale ale cercetării microbiomului. În timp ce rezultatele acestor studii încă nu au fost publicate, o serie de probleme importante au fost deja identificate, variind de la modul în care produsele concepute pentru manipularea microbiomului - cum ar fi preparatele probiotice care includ microorganisme vii despre care se crede că sunt benefice organismului - ar putea fi reglementate, dacă indivizii ar trebui să înceapă să ia în considerare păstrarea microbiomului în timp ce sunt sănătoși.

După ce NIH a lansat HMP în decembrie 2007, Consorțiul Internațional pentru Microbiomi Umani s-a format în 2008 pentru a reprezenta organizațiile de finanțare, inclusiv NIH, și oamenii de știință din întreaga lume interesați să studieze microbiomul uman. Consorțiul a coordonat cercetarea pentru a evita duplicarea eforturilor și a asigurat eliberarea rapidă a seturilor de date moleculare și clinice. De asemenea, a dezvoltat standarde și instrumente comune de calitate a datelor pentru a împărtăși rezultatele cercetării.

Ca și în cazul altor eforturi de colaborare la scară largă, NIH s-a asigurat că comunitatea cercetătorilor putea accesa în mod liber datele HMP prin baze de date publice, cum ar fi Centrul Național pentru Informații Biotehnologice, parte a Bibliotecii Naționale de Medicină și la Centrul de Coordonare și Analiză a Datelor HMP.

Proiectul Microbiomului Uman este gestionat de Institutul Național de Cercetare a Genomului Uman, în parteneriat cu Biroul Director al NIH, Institutul Național de Alergii și Boli Infecțioase, Institutul Național de Artrită și Boli Musculo-scheletice și Piele, Institutul Național al Cancerului Institutul Național de Cercetare Dentară și Craniofacială și Institutul Național de Diabet și Boli Digestive și Rinice, toate fac parte din NIH.

Mai multe informații despre HMP pot fi găsite la http://commonfund.nih.gov/hmp/index.aspx. O ilustrare care prezintă siturile corpului care au fost prelevate ca parte a studiului de cohortă sănătos al Proiectului Microbiomului Uman este disponibilă la: www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20163.

O imagine de înaltă rezoluție a bacteriei, Enterococcus faecalis, unul dintre mulți microbi comensali care trăiesc în intestinul uman, este disponibilă în culoare la www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20023 sau alb-negru la www .genome.gov/pressDisplay.cfm? photoID = 20024.

Pentru mai multe informații contactează

NHGRI este unul dintre cele 27 de institute și centre de la NIH, o agenție a Departamentului pentru sănătate și servicii umane. Divizia NHGRI de Cercetare Extramurală sprijină subvenții pentru cercetare și formare și dezvoltarea carierei la site-uri la nivel național. Informații suplimentare despre NHGRI pot fi găsite pe site-ul său web, www.genome.gov.

Fondul comun NIH sprijină o serie de programe de cercetare cu impact excepțional, care sunt în mare măsură relevante pentru sănătate și boli. Programele Fondului Comun sunt concepute pentru a depăși barierele majore de cercetare și pentru a urmări oportunități emergente în beneficiul comunității de cercetare biomedicală în general. Se așteaptă ca produsele de cercetare ale programelor Fondului comun să catalizeze cercetarea specifică bolii, susținută de institutele și centrele NIH. Informații suplimentare despre Fondul comun NIH pot fi găsite la http://commonfund.nih.gov.

Despre Institutele Naționale de Sănătate (NIH): NIH, agenția națională de cercetare medicală, include 27 de institute și centre și este o componentă a S.U.A. Departamentul de sănătate și servicii umane. NIH este principala agenție federală care efectuează și susține cercetări medicale de bază, clinice și translaționale și investighează cauzele, tratamentele și vindecarea atât a bolilor comune, cât și a celor rare. Pentru mai multe informații despre NIH și programele sale, vizitați www.nih.gov.

NIH ... Transformarea descoperirii în sănătate ®