Микрогеном. Микрофлора как новый орган человека

Симбиоз человека с микробами имеет жизненно-важное значение

Главная / Микрогеном

Мир бактерий

Кишечник человека населен тысячами видов бактерий. Количество микроорганизмов, живущих в организме человека, в десять раз превышает количество клеток всех тканей органов тела. Суммарная масса микрофлоры достигает 4 кг. Микрофлорой заселены практически все поверхности тела человека – начиная от полости рта и мочеполовой системы и заканчивая кишечником, в котором живет около 70% от общего количества микробов.

Мир бактерий

Естественно, в природе ничего не делается просто так – симбиоз человека с микробами имеет жизненно важное значение. Так, по последним сенсационным данным метагеномного анализа кишечной микрофлоры, было выявлено 3 300 000 генов, принадлежащих бактериям (по сравнению с 23 000 генов, присутствующих во всех клетках тканей организма). Это открытие поставило под вопрос многое из того, что мы знали о геноме человека до сих пор…

Узнать больше

Кто мы?

В каждом из нас:
- бактериальных клеток, что в 10 раз больше, чем собственных человеческих клеток
- несколько тысяч видов бактерий (большинство некультивируемые)
- общий вес бактерий может достигать 3-4 кг
- бактериальных генов в 100 раз больше, чем генов человека
- 5-10% энергии из пищи мы получаем за счет бактерий

Преобладающие группы бактерий

1 доминирующая группа до 43%
• Clostridium coccoides group
• Clostridium, Eubacterium, Ruminococcus, Coprococcus, Dorea, Lachnospira,
• Roseburia and Butyrivibrio

2 доминирующая
• Clostridium leptum группа 19-25%
• Anaerqfilum Clostridium, Eubacterium, Ruminococcus

3 группа
• Cytophaga-Flavobacter-Bacteroides

1 минорная группа
• Bifidobacterium около 5-10%

2 минорная группа
• Lactobadllus, Lactococcus, Enterococcus, Streptococcus Leuconostoc

Здоровый вид кожи, нормальное пищеварение, устойчивость к внешней инфекции (состояние иммунитета) человека во многом определяется стабильностью, можно сказать, «здоровьем» его микрофлоры.

Бактерии живут в нашем организме в форме биотехнологических микробных сообществ, они организованы в так называемые биопленки, сбалансированные по видовому составу и функциональному распределению членов сообщества – как муравьи в муравейнике.

Сообщество организует единую генетическую систему в виде плазмид – кольцевых ДНК, несущих поведенческий код для членов биопленки, определяющих их пищевые (трофические), энергетические и другие связи между собой и внешним миром. Последнее получило специальное определение как социальное поведение (quorum sensing) микроорганизмов. Реакция микроорганизмов на изменение условий окружающей среды в биопленке существенно отличается от реакции каждого отдельного вида в монокультуре.

В организме человека специфическое преимущество такой организации заключается в обеспечении гомеостаза органов, функциональность которых зависит от населяющих их микробов.

Преимущество коллективного реагирования имеет и отрицательную сторону: таким сообществом трудно управлять извне. Например – лечить заболевания полимикробного происхождения, когда чувствительность к антибиотикам микроорганизмов, ассоциированных в биопленку, не соответствует таковой, определенной в лабораторных тестах на клинических изолятах чистых культур бактерий. Коллективный иммунитет биопленки практически сводит на нет хорошую идею коррекцию дисбактериозов с помощью пробиотиков – препаратов живых культур ключевых микроорганизмов кишечника – бифидобактерий, лактобацилл, энтеробактерий и других.

Микробы, выращенные искусственно, являются инородными, как инородны пересаживаемые человеку органы и ткани других людей – доноров, или животных. Они отторгаются вследствие биологической несовместимости. Биотехнологические пробиотики не имеют «пароля» для входа микробов внутрь биопленки кишечника, и поэтому пребывают в нем транзиторно, как микрофлора пищи.

 В 2008 г. был запущен глобальный проект «Микробиом человека»; (НМР), ставивший своей целью расшифровку генома бактерий, населяющих организм человека. Термин «микробиом» был впервые внедрен в 2001 г. для обозначения коллективных геномов микробиоты.

Представление о микрофлоре вчера и сегодня

Старая модель

Представление о том, что есть 2 основных фактора, формирующих здоровье человека и особенности его организма – геном человека и внешние факторы: экология, питание, физическая активность и т.д. Последние исследования внесли серьезные коррективы в эту модель, дополнив её третьим фактором – микрофлорой кишечника, которая, как выяснилось, оказывает столь же большое значение, как и первые два.

Новая модель

Человека можно рассматривать как «сверхорганизм», чей обмен веществ обеспечивается четко организованной работой ферментов, кодируемых не только геномом собственно Homo sapiens, но и геномами всех симбиотических микроорганизмов!

Влияние микрофлоры на здоровье человека

Как микрофлора влияет на здоровье человека в целом. Микрофлора как отдельный орган по функционалу. Что происходит при нарушениях в балансе микрофлоры. Факторы и причины нарушения баланса (в т.ч. что происходит при антибиотикотерапии). Известно, что нарушения микрофлоры кишечника могут привести к возникновению аутоиммунных заболеваний, раку толстой кишки, к язве желудка, функциональным заболеваниям кишечника.
Однако последние научные исследования, с использованием инновационные методов ДНК диагностики, позволили установить взаимосвязь микрофлоры не только с вышеперечисленными заболеваниями, но и с теми, о которых не подозревали ранее – диабет, ожирение, аутизм, сердечно-сосудистые заболевания и др. Оказалось, что поддержание баланса микрофлоры – один из центральных основополагающих факторов здоровья человека.

Микрофлора и здоровье человека
Узнать больше

Нарушения микрофлоры кишечника могут привести к возникновению аутоиммунных заболеваний, раку толстой кишки, к язве желудка, функциональным заболеваниям кишечника. Последние научные исследования, с использованием инновационные методов ДНК диагностики, позволили установить взаимосвязь микрофлоры не только с вышеперечисленными заболеваниями. Дисбаланс кишечной микрофлоры способен запустить целый каскад метаболических нарушений, которые могут привести к развитию серьезных заболеваний! Уже установлена связь между так называемым «смертельным квартетом»: ожирение, сахарный диабет второго типа, атеросклероз и сердечно-сосудистые заболевания – с дисбалансом определенных видов микрофлоры. Например, ожирение провоцируется снижением в микробной ассоциации кишечника бактерий фила бактероидес (Bacteroidetes) и повышением фила фирмикутес (Firmicutes).

Но «смертельный квартет» – это еще не все. Известно, что псориаз возникает на фоне повышенного соотношения бактерий фирмикутес (Firmicutes) и актинобактерий (Actinobacteria). Снижение количества фекалибактерий (Faecalibacterium) в составе микрофлоры кишечника человека коррелирует с болезнью Крона и диабетом 2-го типа. Дисбаланс видов вейлонелла (Veillonella) и лактобацилл (Lactobacillus) – причина заболеваний ЖКТ. Риски развития колоректального рака связывают с некоторыми видами фузобактерий (Fusobаcterium spp.).

Функции симбионтной микрофлоры

Бактерии

Защитная функция (колонизационная резистентность) — предотвращение колонизации желудочно–кишечного тракта условно–патогенными и патогенными микроорганизмами. Микробный антагонизм многогранен и реализуется посредством конкуренции за питательные вещества и рецепторы адгезии, а также за счет выработки органических кислот, перекиси водорода, антибиотикоподобных веществ – бактериоцинов и других веществ, препятствующих росту патогенных микроорганизмов.Микрофлора принимает ключевое участие в обеспечении противовирусной защиты.

Узнать больше

1. Защитная функция Защитная функция (колонизационная резистентность) — предотвращение колонизации желудочно–кишечного тракта условно–патогенными и патогенными микроорганизмами. Микробный антагонизм многогранен и реализуется посредством конкуренции за питательные вещества и рецепторы адгезии, а также за счет выработки органических кислот, перекиси водорода, антибиотикоподобных веществ – бактериоцинов и других веществ, препятствующих росту патогенных микроорганизмов.Микрофлора принимает ключевое участие в обеспечении противовирусной защиты.

2. Пищеварительная функция Пищеварительная функция реализуется как за счет регуляции функций кишечника, так и за счет непосредственной утилизации питательных субстратов. Облигатная микрофлора толстой кишки в норме обеспечивает конечный гидролиз белков, омыление жиров, сбраживание высокомолекулярных углеводов, которые не абсорбировались в тонкой кишке. Протеолитические микроорганизмы (бактероиды, нормальная кишечная палочка) ферментируют протеины. Некоторые поступающие с пищей вещества могут метаболизироваться только кишечной микрофлорой! Так, только сахаролитическая микрофлора расщепляет лактулозу и гемицеллюлозу до короткоцепочечных жирных кислот .

3. Детоксикационная и антиканцерогенная функция Нормальная микрофлора способна нейтрализовать многие токсические субстраты и метаболиты (нитраты, ксенобиотики, гистамин, мутагенные стероиды), предохраняя энтероциты и отдаленные органы от воздействия повреждающих факторов и канцерогенов.

4. Синтетическая функция Нормальная микрофлора обеспечивает синтез многих макро– и микро¬нутриентов: витаминов группы В, С, К, фолиевой, никотиновой кислоты. Только кишечная палочка синтезирует 9 витаминов. Синтез гормонов и биологически активных веществ лежит в основе регуляторного действия микрофлоры на функции внутренних органов и ЦНС.

5. Иммуногенная функция Как известно, слизистая оболочка кишечника обладает собственной лимфоидной тканью, известной как GALT (gut–associated lymphoid tissue), которая является одним из значимых компонентов иммунной системы макроорганизма. В слизистой оболочке кишечника локализовано около 80% иммунокомпетентных клеток, 25% слизистой оболочки кишечника состоит из иммунологически активной ткани. Таким образом, кишечник можно рассматривать как самый большой «иммунный орган» человека. Микро¬флора участвует в формировании как местного (активация продукции IgА, фагоцитарной активности), так и сис¬темного иммунитета. Само наличие бактерий оказывает постоянный антигенный тренирующий эффект.

6. Регуляция обмена холестерина, оксалатов Бифидо– и лактобактерии уменьшают всасывание холестерина, переводя его в нерастворимый копростапол. Некоторые лактобактерии в анаэробных условиях участвуют в метаболизме оксалатов и приводят к снижению экскреции оксалатов с мочой.

7. Генетическая функция Микробиота является своего рода «генетическим банком», обмениваясь генетическим материалом с клетками человека путем фагоцитоза. «Своя» микробиота приобретает рецепторы и , присущие хозяину и делающие ее «своей» для иммунной системы. По своей роли в поддержании гомеостаза кишечная микрофлора не уступает любому другому жизненно важному органу.

 Микробиоту рассматривают сейчас как самостоятельный орган!

От генома до микрогенома. Секвенирование

Насколько разнообразен мир микробиоты и насколько глубоки отношения между человеком и его бактериями, стало известно совсем недавно. Традиционные микробиологические методы не только не в состоянии дать полную качественную и количественную характеристику микробиоценозов организма человека, но и тем более не позволяют анализировать особенности популяционных взаимодействий микроорганизмов! Только с появлением методов расшифровки и анализа ДНК, ученые обнаружили, что микробиота человека в сотни раз богаче- в кишечнике есть больше тысячи разных видов бактерий, хотя раньше было известно всего несколько десятков.

Несмотря на то что видовой состав микроорганизмов кишечника достаточно однообразен, количественное соотношение представителей определенных систематических групп в микробиоте разных людей может сильно варьировать.

От генома до микрогенома


Мир микробиоты

Эти данные получены методом оценки разнообразия последовательностей гена 16S рРНК (секвенирование*) микробиоценоза

Идеальной меткой для идентификации микроорганизмов является ген, кодирующий 16S рибосомальную РНК (каждая из двух субъединиц рибосом — клеточных мастерских по синтезу белка — состоит из переплетенных молекул белков и цепочек рибонуклеиновых кислот). Этот ген может служить «удостоверением личности микроба», так как является универсальным и специфическим маркером бактерий, характеризуется высокой степенью консервативности нуклеотидной последовательности, функциональной стабильностью, содержит видоспецифические участки, которые можно использовать для видовой идентификации бактерий, присутствует в геноме всех бактерий, но отсутствует у вирусов и эукариот.

Секвенирование (от лат. sequentum — последовательность). В результате секвенирования получают формальное описание первичной структуры линейной макромолекулы в виде последовательности мономеров.

Узнать больше

• В 1999 году группа ученых из (Франция) и Университета Ридинга (Великобритания) применили для исследования микробной популяции кишечника метод секвенирования генов 16S РНК
• Идеальный маркер для идентификации микроорганизмов ген, кодирующий 16S рибосомальную РНК.
• Этот ген есть в геноме всех бактерий и архей, но отсутствует у эукариот и вирусов, имеет как консервативные участки, одинаковые у всех прокариот, так и видоспецифичные.
• Нуклеотидные последовательности 16S РНК всех известных бактерий общедоступны (ген банк).

Преимущества метода секвенирования микробиоценоза:

• Скорость выполнения, относительная дешевизна.
• Методологическая простота.
• Отсутствие необходимости выделения чистой культуры.
• Применим как к культивируемым, так и некультивируемым бактериям.
• Высокая воспроизводимость результатов.
• Определение всего таксономического состава микробиоты.
• Определение качественного и количественного соотношения родов, отдельных видов микроорганизмов в составе микробиоценоза.
• Внутривидовое сходство сиквенса 98-99% позволяет идентифицировать бактерии с высокой точностью

Терминология

Метагеном - совокупность генетического материала микроорганизмов, полученного напрямую из среды.

ДНК матрица – последовательность ДНК, которую необходимо «прочесть» в ходе секвенирования.

Праймер (англ. primer) —короткий фрагмент нуклеиновой кислоты, который служит стартовой точкой при репликации ДНК.

Секвенирование - представляет собой определение нуклеотидной последовательности фрагмента ДНК путем получения серии комплементарных молекул ДНК, различающихся по длине на одно основание.

Сравнение методов исследования микрофлоры — показательность

Сравнение методов исследования микрофлоры

В традиционном анализе на дисбактериоз (культуральный метод) мы можем увидеть меньше 10% бактерий!

исследование кала на дисбактериоз

Исследование кала на дисбактериоз

Классификацию людей по энтеротипам!

20 веке для составления полной картины образа человека ученые стали использовать биологические маркеры, в частности группу крови.
Благодаря исследованиям австрийского ученого Карла Ландштайнера и его учеников выявивших в крови разных людей антигены А и В, появилось четкое разделение по группам крови, получившее название АВ0, и теперь все мы знаем свою группу крови.

Каким бы огромным ни было количество бактерий, населяющих наш кишечник, набор видов у каждого человека можно отнести к одному из всего лишь трёх типов. Эти наборы называются — энтеротипы. Они не зависят от возраста, пола, национальности или диеты.

К такому выводу пришли учёные из Национального института аграрных исследований (Франция), Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге (Германия) и ещё десятка научно-исследовательских центров. Исследователи анализировали микроорганизмы из фекалий около 400 человек из Европы, Соединённых Штатов и Японии. По словам учёных, огромным сюрпризом для них стало то, что существует всего три типовых набора бактерий, по которым распределялись все изученные образцы. Каждый такой вариант получил название по доминирующему бактериальному роду: Bacteroides, Prevotella и Ruminococcus (Результаты их работы опубликованы в журнале Nature).

бактериальный код и риск заболеваний

Генотипы
Риск ожирения
Риск образования язв
Риск сахарного диабета

Известно, что Bacteroides хорошо расщепляют углеводы, в большем количестве выдают витамины C, B2, B5 и H, некоторые Ruminococcus помогают клеткам усваивать сахара, снабжают нас фолиевой кислотой и витамином B1, а Prevotellaобразуют слизь.
В связи с этим учёные делают вывод, что состав бактериального населения кишечника влияет на вес человека, определяет, чем и как болеют люди.

Узнать больше

Зная энтеротип человека, можно довольно достоверно предположить, каким заболеваниям он подвержен, будет ли иметь проблемы с лишним весом и какой диеты ему следует придерживаться.

Род Bacteroides хорошо демонстрирует себя в расщеплении углеводов, так что индивиду с этим энтеротипом вряд ли грозит ожирение. Prevotella разрушают слизь, покрывающую стенки кишечника, то есть велик риск изъязвлений. Ruminococcus стимулируют всасывание сахаров — следствия из этого пояснять не надо.

Знание и учет основных свойств представителей кишечного микромира должны использоваться в профилактике заболеваний, к которым могут быть предрасположены люди с тем или иным энтеротипом. Так дисбаланс бактерий рода Prevotella приводит к риску возникновения у человека язвенной болезни, Высокий уровень содержания в организме бактерий Ruminococcus угрожает развитием сахарного диабета, а преобладание бактерий рода Bacteroides защищает организм от ожирения.

Набор человеческих кишечных бактерий может быть сведён к одному из трёх энтеротипов. Каждому соответствует главный бактериальный род. Бактерии определяют судьбу человека

  Расшифровкой генома бактерий, населяющих ЖКТ, занимается Европейский консорциум MetaHIT. Уже расшифровано около 3 млн генов, что примерно в 150 раз больше набора генов человека. Результаты проекта позволят производить дальнейшие исследования взаимосвязей этих генов, состояния здоровья человека, развития заболеваний и его фенотипа.

Расшифровка метагенома человека входит в число величайших научных открытий последнего десятилетия.

В 2010 г. в исследование метагенома человека также активно включились российские ученые.

Русский Метагеномный проект — это консорциум ведущих российских медицинских, биологических и аналитических центров, деятельность которого направлена на исследование биологических сообществ (биоты) населяющих организм человека
Поделиться информацией:
Опрос
Считаете ли Вы важным сохранить полезную микрофлору при проведении антибиотикотерапии?
Предупреждение: информация на сайте предназначена для медицинских специалистов
x
Экоантибиотик
Яндекс.Метрика