Выявление путей бактериального синтеза бутирата на основе анализа (мета)геномных данных

Бактерии, продуцирующие бутират, в последнее время привлекают большое внимание, поскольку они важны для здоровья толстой кишки, а изменения их состава или функции участвуют в развитии таких заболеваний, как язвенный колит и сахарный диабет 2 типа. Эта функциональная группа имеет полифилетическое происхождение и не может быть точно выявлена с помощью секвенирования гена 16S рРНК. Поэтому были разработаны методы, направленные на выявление концевых генов основного пути синтеза бутирата. Однако существуют и другие пути, а также альтернативные, недавно описанные ферменты, катализирующие конечную реакцию, поэтому результаты предыдущих исследований часто были неполными. Мы провели расширенный анализ путей синтеза бутирата и отдельных генов, изучив 3184 секвенированных бактериальных генома из базы данных интегрированных микробных геномов. Были выявлены геномы 225 бактерий, потенциально способных продуцировать бутират, включая множество ранее неизвестных кандидатов. Большинство кандидатов относились к отдельным семействам типа Firmicutes, однако потенциальными продуцентами бутирата оказались также представители девяти других типов, особенно Actinobacteria, Bacteroidetes, Fusobacteria, Proteobacteria, Spirochaetes и Thermotogae. Сформированный каталог генов (3055 записей) использовали для выявления путей синтеза бутирата в 15 метагеномах, полученных из образцов кала здоровых людей в рамках консорциума HMP (Проект микробиома человека). Значительная доля геномов содержала путь синтеза бутирата (в среднем 19,1%; диапазон 3,2–39,4%), причём наиболее распространённым был путь через ацетил-КоА (в среднем 79,7% всех путей), за ним следовал лизиновый путь (в среднем 11,2%). Анализ разнообразия пути через ацетил-КоА показал, что у большинства людей доминировали одни и те же немногочисленные группы фирмикутов, связанные с рядом представителей семейств Lachnospiraceae и Ruminococcaceae, тогда как остальные пути были преимущественно связаны с Bacteroidetes.

Значимость: Исследования микробиома выявили новые важные функции кишечной микробиоты в поддержании здоровья, однако понимание влияния отдельных микробных функций на организм хозяина пока находится на начальном этапе, отчасти потому, что углублённый функциональный анализ микробиоты проводится редко, а общедоступные базы данных часто неполны или содержат ошибки аннотации. В этом исследовании мы сосредоточились на продукции бутирата — основного источника энергии для колоноцитов, играющего ключевую роль в поддержании здоровья и развитии заболеваний. На основе углублённого анализа общедоступных геномов мы создали полную базу данных генов основных известных путей синтеза бутирата, восполнив важный пробел для точной оценки потенциала сложных микробных сообществ к продукции бутирата по данным «омикс»-исследований. Кроме того, с помощью метагеномного анализа был сформирован эталонный набор данных о распространённости и разнообразии путей синтеза бутирата в микробиоте здорового кишечника. Это исследование поможет понять роль бактерий, продуцирующих бутират, в поддержании здоровья и развитии заболеваний и может способствовать разработке методов лечения функционального дисбиоза.