Российские ученые нашли способ детально изучить, какие микробы живут в человеке

© Виталий Невар/ТАСС

Российские исследователи предложили новый метод сравнения метагеномов — совокупностей последовательностей ДНК всех организмов — в исследуемом биологическом материале. Он позволит точнее находить отличия между метагеномами различных бактериальных сообществ, что может помочь в изучении, диагностике и лечении многих заболеваний.

Бактериальных клеток в нашем организме в десятки раз больше, чем собственных, и причем большая часть из них находится в кишечнике. При этом состав бактериального сообщества влияет на риск возникновения заболеваний, выбор оптимального режима питания, настроение и даже творческие способности, а сами микроорганизмы чутко реагируют на все процессы в нашем теле. Поэтому по кишечным метагеномам людей теоретически можно оценить, скажем, риск диабета, различных воспалений кишечника и других заболеваний.

Традиционный подход в таком анализе — это сравнение по таксономическому составу, то есть процентным долям каждого найденного вида микробов. Для того чтобы определить состав образца, его расшифрованные геномные последовательности сопоставляют с базой известных бактериальных геномов, называемых референсным набором. Однако такой подход имеет ряд недостатков. Во-первых, референсные геномы зачастую неточны: для изолированных в лаборатории видов они могут, например, нести набор генов, существенно отличающийся от того же вида в естественной среде. Во-вторых, не для всех организмов в принципе существуют собранные референсные геномы, и поэтому многие последовательности, для которых не находят соответствий в базе, зачастую просто не учитываются в анализе.

Поэтому в своей работе российские ученые использовали другой метод, основанный уже на сопоставлении так называемых k-меров: он не требует референсов и какой-нибудь дополнительной информации об исследуемых организмах, а также не игнорирует в анализе никакие последовательности. В основе метода лежит представление о геноме как о наборе всех встречающихся в нем нуклеотидных «слов», заданной длины k, называемых k-мерами. Поскольку геном является уникальной для каждого организма последовательностью, то и наборы таких «слов» различаются между отдельными организмами, а набор всех k-меров метагенома можно рассматривать как совокупность наборов, входящих в его состав организмов. Это позволяет судить о различиях в бактериальном составе при сравнении образцов между собой.

Пример выделения всех k-меров длины для k=7 из произвольной последовательности. Изображение представлено пресс-службой МФТИ.


Для проверки эффективности k-мерной методики были использованы два набора метагеномных данных. Одни были реальными (кишечные метагеномы жителей США и Китая), а другие сгенерировали искусственно для проверки метода. В результате k-мерный подход показал лучшие результаты, чем традиционное сопоставление с референсным набором: в метагеномах американцев и китайцев были найдены характерные и ожидаемые отличия, а искусственный метагеном был расшифрован с приемлемой точностью.

Генетическое исследование состава микрофлоры и подбор индивидуального метода лечения или профилактики болезней — это один из главных подходов персонализированной медицины будущего. Уже сейчас в исследованиях показано, что состав микробиоты может влиять на развитие ожирения или, например, аутизма.

Работа ученых из НИИ Физико-химической медицины ФМБА РФ, МФТИ и университета ИТМО опубликована в журнале BMC Bioinformatics.
Теги:

Читать еще на Чердаке: