Фазовые вариации - это процесс, в ходе которого бактерии подвергаются обратимым изменениям в определенных локусах своего генома, что приводит к экспрессии генов в режиме ВКЛ-ВЫКЛ.
У Bacteroidales, доминирующего порядка бактерий в кишечнике человека, фазовые вариации широко распространены и в значительной степени опосредованы инверсиями сегментов ДНК между инвертированными повторами. Эти инверсии часто затрагивают промоторные области, диктующие инициацию транскрипции генов или оперонов, функционирующих как переключатели "ВКЛ - ВЫКЛ". Кроме того, инверсии ДНК могут происходить таким образом, что новые гены переносятся из неактивного в транскрипционно активный участок путем переориентации или рекомбинации геномных "шаффлонов" - подвижных генетических элементов, способствующих перестройкам, служащих динамическими инструментами для изменения экспрессируемого гена.
Анализ ориентации бактериальных инвертируемых областей при различных заболеваниях хозяина может дать новое представление об адаптации бактерий и их функциональном вкладе в патогенез заболевания или его преодоление. Изменение фазы Bacteroidales часто модулирует производство компонентов, представленных на бактериальной поверхности, диктуя, какие поверхностные молекулы взаимодействуют, например, с соседними микробами (бактериями и бактериофагами) или с хозяином.
Bacteroides fragilis, распространенный обитатель кишечника человека, модулирует свою поверхность посредством фазового синтеза капсульных полисахаридов (PS). Локусы биосинтеза семи из восьми полисахаридов имеют инвертируемые промоторы, которые ориентированы либо " ВКЛ", либо " ВЫКЛ" по отношению к нижележащему оперону биосинтеза PS. Исследования показали, что полисахарид A (PSA) B. fragilis модулирует иммунную систему хозяина, индуцируя регуляторные Т-клетки (Tregs) и секрецию противовоспалительного цитокина интерлейкина. Более того, было показано, что PSA обеспечивает защиту от экспериментального колита и, таким образом, рассматривается как противовоспалительный полисахарид.
Бактериофаги, вирусы, которые целенаправленно поражают бактерии, могут влиять на состав бактериальных популяций и потенциально влиять на их функциональность. Несколько исследований показали динамические отношения между Bacteroidales и фагами. Campbell et al. обнаружили, что заражение Bacteroides vulgatus бактериофагом BV01 приводит к подавлению активности гидролазы желчных солей - изменение транскрипционного профиля бактерий в зависимости от интеграции фагов в их геном.
Porter et al. и Hryckowian et al. показали, что некоторые капсульные PS и другие молекулы внешней поверхности могут влиять на восприимчивость Bacteroides thetaiotaomicron к определенным фагам. В соответствии с этим, Шкопоров и др. показали, что фазовые изменения капсульного PS в Bacteroides intestinalis влияют на инфицирование CrAss-подобными фагами, устанавливая динамическое равновесие для их длительного сосуществования в кишечнике. Эти исследования позволяют предположить, что взаимодействие между фагами и Bacteroides может влиять на хозяина через изменение функциональности бактерий.
Язвенный колит и болезнь Крона - многофакторные воспалительные заболевания кишечника (ВЗК), характеризующиеся нарушением слизистого барьера, неправильной иммунной активацией и неправильной локализацией микробиоты кишечника. В связи с этим ВЗК стали одними из наиболее изученных заболеваний, связанных с микробиотой, и представляют собой интересную среду для изучения функций бактерий кишечника, их потенциального влияния на хозяина и взаимодействия бактерий с фагами.
В данном исследовании мы представляем анализ инвертируемых ориентаций ДНК в микробиоте кишечника пациентов с ВЗК из нескольких когорт и проверяем гипотезу о том, что воспаление и бактериофаги опосредуют эти дифференциальные ориентации. Наш совместный анализ метагеномов пациентов с ВЗК и экспериментальных моделей мышей, сфокусированный на видах Bacteroidales, выявил изменения в ориентации нескольких инвертируемых участков ДНК во время воспаления кишечника, которые могут модулировать иммунную систему хозяина.
Важно отметить, что фильтрованные фекальные экстракты пациентов с ВЗК изменяют ориентацию PSA-промотора B. fragilis. Мы показали, что бактериофаги коррелируют с состоянием PSA "ВЫКЛ" и что специфический литический бактериофаг B. fragilis увеличивает количество PSA промотора "ВЫКЛ" с одновременным снижением количества Treg-клеток толстой кишки хозяина.
Эти данные свидетельствуют о динамическом взаимодействии между воспалением кишечника, бактериофагами и изменением бактериальной фазы с потенциальным значением для диагностики и лечения ВЗК.