Если попробовать взглянуть на кишечный микробиом без привычного ореола фона или сопровождающей флоры, становится ясно, что внутри нас идёт вполне самостоятельная эволюционная жизнь. И новое исследование в журнале Nature добавляет к этой картине важный штрих. Речь не просто о медленном накоплении мутаций, а о довольно агрессивной, быстрой подстройке бактерий под условия, которые мы им создаём — питанием, образом жизни, привычками. Авторы доказали, что кишечные бактерии не сидят в ожидании редких случайных изменений, а активно обмениваются полезными генами и используют этот обмен как инструмент выживания. Чтобы это увидеть, им пришлось фактически перепридумать подход к анализу генетических данных. Старые методы часто смотрели на микробиом как на шумный рынок, где сложно разобрать, кто и почему выигрывает. Новый подход же позволил различить следы отбора даже там, где раньше казалось, что всё происходит хаотично.
Если говорить проще, микробиом — это не музей с застывшей экспозицией, а живая экосистема из сотен видов бактерий, состав которой меняется с возрастом, диетой, переездами и даже от поколения к поколению внутри одной семьи. Мы давно знаем, что бактерии в кишечнике способны эволюционировать с поразительной скоростью. И что особенно интересно — это происходит даже без антибиотиков, которые обычно считают главным фактором давления. Тогда закономерно возникает вопрос: если мутации появляются так быстро, как они умудряются распространяться и закрепляться?
Один из главных ответов — горизонтальный перенос генов. Бактерии умеют делиться кусочками ДНК между собой, как флешками с полезными файлами. Кишечник человека для этого — почти идеальная площадка: тесно, тепло, много контактов. Именно так, например, распространяются гены устойчивости к антибиотикам. Но до недавнего времени было не до конца понятно, насколько активно этот механизм работает внутри одного вида бактерий и как в этом участвует рекомбинация — встраивание чужих фрагментов в уже существующий геном.
Здесь появляется ещё один важный эффект, который в эволюционной биологии называют генетическим автостопом. Если у одной бактерии возникает действительно полезная мутация, она может быстро захватить популяцию. Но вместе с ней едут и соседние участки ДНК — не всегда полезные, а иногда и слегка вредные. В результате у разных штаммов, которые внешне кажутся не связанными, вдруг обнаруживаются одинаковые фрагменты генома. Это создаёт характерные сочетания генов, которые встречаются чаще, чем должны были бы по чистой случайности.
Проблема в том, что у кишечных бактерий обмен генами настолько интенсивный, что классические методы часто не справляются: они путают настоящий отбор со случайными эффектами. Добавьте сюда демографические качели — резкие сокращения численности бактерий, например при смене диеты или болезни хозяина, — и картина становится ещё более размытой. Поэтому исследователи начали с компьютерных моделей, где можно аккуратно покрутить ручки и посмотреть, что именно создаёт наблюдаемый сигнал. Они показали важную вещь: характерный след отбора появляется только тогда, когда положительный отбор действительно силён. Если его нет, нужного рисунка в данных не возникает, даже при самых разных сценариях эволюции. Это позволило чётко отделить реальные адаптации от статистического шума. Более того, в таких условиях даже неблагоприятные мутации могут временно удерживаться в популяции, прилипнув к полезным — тот самый автостоп в действии.
Вооружившись этим пониманием, авторы перешли к реальным данным. Они проанализировали геномы кишечных бактерий почти у семисот человек с трёх континентов. С помощью современных методов работы с метагеномикой им удалось выделить доминирующие штаммы и восстановить их генетические варианты с высокой точностью. В итоге получился впечатляющий массив данных: тысячи гаплотипов десятков видов бактерий. Чтобы не спутать влияние отбора с историей расселения и географией, анализ проводили внутри наиболее однородных групп каждого вида.
Результаты получились довольно наглядными. У большинства изученных бактерий распространённые изменения в белковых генах встречались в характерных сочетаниях — чаще, чем ожидалось бы случайно. Это прямой признак положительного отбора. Редкие варианты, напротив, выглядели так, будто система от них избавляется — классический очистительный отбор. Иными словами, эволюция в кишечнике идёт постоянно и бьёт по тем участкам генома, которые действительно важны для функций бактерий. Если задуматься, это вполне логично. Кишечные бактерии живут в среде, которая меняется едва ли не каждый день: сегодня один рацион, завтра другой, периоды стресса, болезни, лекарства. В таких условиях скорость адаптации становится вопросом выживания.
Для системного поиска таких адаптаций исследователи ввели новый показатель — интегрированный показатель сцепления. Он оценивает, насколько тесно связаны между собой изменения в геноме и как эта связь отличается для функциональных, белковых участков и нейтральных зон. Сначала метод проверили на хорошо изученных бактериях, включая возбудителей тяжёлых кишечных инфекций. Он уверенно находил уже известные участки, связанные с вирулентностью, и почти не выдавал ложных сигналов. После этого его применили к тридцати двум видам кишечных бактерий человека.
И здесь счёт пошёл на сотни. Было обнаружено более ста эпизодов недавнего отбора, затрагивающих сотни генов. Чаще всего под ним оказывались гены, связанные с расщеплением и транспортом углеводов. Если вспомнить, насколько сильно питание человека влияет на микробиом, это выглядит почти очевидно: бактерии быстро подстраиваются под то, чем мы их кормим. Особенно любопытными оказались гены, отвечающие за транспорт продуктов распада крахмала. Они не только часто находились под отбором, но и демонстрировали признаки недавнего горизонтального переноса. Ранее уже высказывалась идея, что индустриализация и изменения образа жизни снижают разнообразие микробиома и одновременно усиливают обмен генами между бактериями. Новые данные хорошо ложатся в эту концепцию.
Когда исследователи сравнили разные человеческие популяции, выяснилось, что многие эпизоды отбора характерны только для одной группы людей. Это говорит о локальной адаптации бактерий к конкретным условиям — рациону, образу жизни, культурным привычкам. При этом примерно треть адаптаций встречалась сразу в нескольких популяциях, особенно часто среди индустриализированных обществ. У них обнаруживались общие генетические изменения, которых почти не было у традиционных сообществ.
Пожалуй, самый показательный пример — участок генома, связанный с переработкой крахмала, который находился под отбором у всех индустриализированных групп и отсутствовал у неиндустриализированных. Это вполне может быть генетическим отражением современного рациона. При этом общее число адаптаций в разных популяциях оказалось сопоставимым. То есть микробиом продолжает эволюционировать быстро везде — просто направления этой эволюции зависят от того, как именно живёт человек.
_________________________
Уважаемые читатели, подписывайтесь на мой канал. У нас впереди много интересного!