Střevní bakterie jen zřídka aktualizují své CRISPR obranné systémy

V lidském trávicím traktu se nacházejí biliony bakterií z tisíců různých druhů. Tyto bakterie tvoří společenství, která pomáhají trávit potravu, brání se škodlivým mikroorganismům a plní mnoho dalších rolí v udržování lidského zdraví.

Tyto bakterie mohou být zranitelné vůči infekci viry zvanými bakteriofágy. Jednou z nejznámějších obranných strategií bakteriálních buněk proti těmto virům je CRISPR systém, který se vyvinul u bakterií, aby jim pomohl rozpoznávat a štěpit virové DNA.

Studie biologických inženýrů z MIT přinesla nový pohled na to, jak bakterie ve střevním mikrobiomu přizpůsobují své CRISPR obranné mechanismy, když se setkají s novými hrozbami. Vědci zjistili, že zatímco bakterie pěstované v laboratoři mohou začlenit nové virové rozpoznávací sekvence tak rychle, jako jednou denně, bakterie žijící v lidském střevě přidávají nové sekvence mnohem pomaleji – v průměru jednou za tři roky.

Zjištění naznačují, že prostředí v trávicím traktu nabízí mnohem méně příležitostí k interakci bakterií a bakteriofágů než v laboratoři, takže bakterie nepotřebují příliš často aktualizovat své CRISPR obranné mechanismy. Také vyvstává otázka, zda bakterie nemají důležitější obranné systémy než CRISPR.

„Tento objev je významný, protože používáme mikrobiomem založené terapie, jako je transplantace fekální mikrobioty, k léčbě některých nemocí, ale účinnost je nekonzistentní, protože nové mikroby nepřežívají u všech pacientů. Pochopení mikrobiálních obranných mechanismů proti virům nám pomáhá pochopit, co vytváří silnou a zdravou mikrobiální komunitu,“ říká An-Ni Zhang, bývalá postdoktorandka MIT, která je nyní docentkou na Nanyang Technological University.

Zhang je hlavní autorkou studie, která vyšla dnes v časopise Cell Genomics. Eric Alm, ředitel Centra pro mikrobiomovou informatiku a terapii MIT, profesor biologického inženýrství a stavebního a environmentálního inženýrství na MIT a člen Broad Institute MIT a Harvardu, je hlavním autorem článku.

Nížá frekvence expozice

U bakterií slouží CRISPR jako imunitní odpověď založená na paměti. Když se bakterie setkají s virovou DNA, mohou začlenit část sekvence do své vlastní DNA. Pak, pokud se s virem opět setkají, tato sekvence vyprodukuje průvodcovskou RNA, která řídí enzym zvaný Cas9 k rozštěpení virové DNA, čímž se zabrání infekci.

Tyto virově specifické sekvence se nazývají spacery a jedna bakteriální buňka může nést více než 200 spacerů. Tyto sekvence mohou být předány potomkům a mohou být také sdíleny s jinými bakteriálními buňkami procesem zvaným horizontální přenos genů.

Předchozí studie zjistily, že získávání spacerů probíhá v laboratoři velmi rychle, ale v přirozeném prostředí se zdá být pomalejší. V nové studii se tým z MIT chtěl zaměřit na to, jak často k tomuto procesu dochází u bakterií v lidském střevě.

„Zajímalo nás, jak rychle tento CRISPR systém mění své spacery, konkrétně ve střevním mikrobiomu, abychom lépe porozuměli interakcím bakterií a virů v našem těle,“ říká Zhang. „Chtěli jsme identifikovat klíčové parametry, které ovlivňují časovou škálu této aktualizace imunity.“

K tomu vědci zkoumali, jak se CRISPR sekvence měnily v čase ve dvou různých datových souborech získaných sekvenováním mikrobů z lidského trávicího traktu. Jeden z těchto datových souborů obsahoval 6 275 genomických sekvencí reprezentujících 52 bakteriálních druhů a druhý obsahoval 388 longitudinálních „metagenomů“, tj. sekvencí z mnoha mikrobů nalezených ve vzorku odebraném u čtyř zdravých lidí.

„Analýzou těchto dvou datových souborů jsme zjistili, že získávání spacerů je ve střevním mikrobiomu skutečně pomalé: V průměru by trvalo 2,7 až 2,9 roku, než si bakteriální druh v našem střevě získá jeden spacer, což je velmi překvapivé, protože naše střevo je vystavováno virům téměř každý den, a to jak z vlastního mikrobiomu, tak z potravy,“ říká Zhang.

Vědci poté vytvořili výpočetní model, který jim pomohl zjistit, proč je rychlost získávání tak nízká. Tato analýza ukázala, že spacery se získávají rychleji, když bakterie žijí ve vysokohustotních populacích. Lidský trávicí trakt se však několikrát denně ředí, kdykoli se konzumuje jídlo. To vyplavuje některé bakterie a viry a udržuje celkovou hustotu nízkou, takže je méně pravděpodobné, že se mikroby setkají s virem, který je může infikovat.

Dalším faktorem může být prostorové rozložení mikrobů, o kterém se vědci domnívají, že brání některým bakteriím v častém setkávání s viry.

„Někdy se jedna populace bakterií s fágem nikdy nebo jen zřídka nesetká, protože bakterie jsou blíže k epitelu ve slizniční vrstvě a dále od potenciální expozice virům,“ říká Zhang.

Bakteriální interakce

Mezi populacemi bakterií, které studovali, vědci identifikovali jeden druh – Bifidobacteria longum – který získal spacery mnohem nedávno než jiné. Zjistili, že ve vzorcích od nesouvisejících lidí žijících na různých kontinentech B. longum nedávno získal až šest různých spacerů cílících na dva různé bakteriofágy Bifidobacteria.

Toto získávání bylo poháněno horizontálním přenosem genů – procesem, který umožňuje bakteriím získávat nový genetický materiál od svých sousedů. Zjištění naznačují, že na B. longum může existovat evoluční tlak od těchto dvou virů.

„Bylo značně přehlíženo, jak velký podíl na této dynamice má horizontální přenos genů. V rámci bakteriálních komunit mohou být interakce mezi bakteriemi hlavním faktorem při vývoji virové rezistence,“ říká Zhang.

Analýza imunitních obranných mechanismů mikrobů může vědcům nabídnout způsob, jak vyvinout cílené léčby, které budou u konkrétního pacienta nejúčinnější. Mohli by například navrhnout terapeutické mikroby, které jsou schopny bránit se typům bakteriofágů, které jsou u daného pacienta nejrozšířenější, což by zvýšilo šanci na úspěch léčby.

„Jedna věc, kterou můžeme udělat, je studovat virové složení u pacientů a poté můžeme identifikovat, které druhy nebo kmeny mikrobiomu jsou schopnější odolat těmto lokálním virům u dané osoby,“ říká Zhang.

Výzkum byl částečně financován Broad Institute a Thomas and Stacey Siebel Foundation.