Új statisztikai módszer a mikrobiomban történő változások feltárásához
Az iLDS módszer új megvilágításba helyezi, miként formálják a szelekciós erők a bélmikrobiomot, és hogyan alkalmazkodnak a bélbaktériumok a környezeti hatásokhoz és a gazdaszervezet sajátosságaihoz.
A Nature folyóiratban december 17-én jelent meg a University of California Los Angeles (UCLA) kutatóinak cikke, amelyben a bélmikrobiom vizsgálatában egy új szelekciós statisztikai módszert, az iLDS-t (integrated linkage disequilibrium score; integrált kapcsoltsági egyensúlyhiány pontszám) mutatták be, amely alkalmas azokra az adaptív allélokra való rávilágításra, amelyek rekombinációval közvetített folyamatok – például migráció és horizontális géntranszfer (HGT) – révén terjednek a mikrobiomban. Az eddigi eredmények rámutatnak arra, hogy a közös szelekciós nyomások milyen jelentős szerepet játszanak a mikrobiom diverzitásának és működésének alakításában.
A humán bélmikrobiom fajösszetétele és genetikai állománya az élet során folyamatosan változik, sőt, ezek a módosulások több generáción is átívelhetnek. Számos vizsgálat igazolta, hogy a bélbaktériumok gyors evolúciós dinamikát mutatnak: új mutációk akár napokon vagy hónapokon belül elterjedhetnek egészséges felnőttekben, még antibiotikumok hatása nélkül is. Ha egy új adaptáció jelenik meg egy adott személy bélmikrobiomjában, az horizontális géntranszfer útján másokba is átkerülhet. A humán bélrendszer különösen kedvez a HGT folyamatoknak, így a baktériumok könnyen beépíthetnek számukra előnyös géneket új törzsekbe. A HGT kiemelt jelentőségű például az antibiotikum-rezisztenciát biztosító gének terjedésében, különösen különböző fajok között. Mindmáig nem teljesen tisztázott, hogy az adaptív gének mennyiben mozognak törzsek között ugyanazon fajon belül.
Evolúciós folyamat az úgynevezett “selection sweep” (magyarul leggyakrabban “szelekciós söprés”), amikor egy adaptív gén, azaz egy újonnan megjelenő, előnyös mutáció nagyon gyorsan elterjed egy populációban, és ezzel együtt a közelében található genetikai variánsok – legyenek akár semlegesek, akár enyhén károsak – együtt sodródhatnak vele. Így ugyanaz a DNS-szakasz, az adaptív génnel és a „potyautas” variánsokkal együtt, egymástól független baktériumtörzsekben is megjelenhet különböző emberek bélrendszerében. Ez a DNS-megosztás jellegzetes mintázatot, azaz emelkedett kapcsoltsági egyensúlyhiányt (LD; linkage disequilibrium) eredményez, ami azt jelenti, hogy bizonyos allélkombinációk a vártnál gyakrabban fordulnak elő az adaptív gén közelében. Ennek oka, hogy a mutáció olyan erős szelekciós előnyt ad, hogy rövid idő alatt a populáció csaknem minden egyedében megjelenik, így a rekombinációnak nincs elég ideje „szétkeverni” a környező genetikai variánsokat. Ennek következtében a genom érintett régiójában hirtelen lecsökken a genetikai változatosság, mintha a pozitív szelekció „kisöpörte” volna a korábbi variációt.
A baktériumokban alkalmazott LD-alapú szelekciós vizsgálatok eddig korlátozottak voltak, részben azért, mert sok faj – különösen a bélben élő kommenzalisták – esetében a rekombináció gyakori és dinamikus. Emellett az LD-t nem szelekciós evolúciós tényezők, például demográfiai szűkülések is növelhetik, ami tovább nehezíti az értelmezést.
A kutatók szimulációk segítségével vizsgálták, hogy a pozitív szelekció és a potyautas variánsok együttes terjedése növeli-e a nem szinonim variánsok közötti LD-t a szinonim variánsokhoz képest, és hogy ez a mintázat valóban a szelekció sajátja-e, vagy véletlenszerű folyamatok is előidézhetik. Eredményeik szerint ez a jellegzetes genetikai mintázat pozitív szelekció nélkül nem alakul ki, még eltérő evolúciós forgatókönyvek mellett sem. A jel csak akkor jelent meg, amikor a tisztító szelekció erősebb volt a genetikai sodródásnál, és a pozitív szelekció meghaladta a tisztító szelekció erejét. Ilyen körülmények között gyengén káros variánsok is „felszállhattak” a szelekciós söprésre, ami a gyakori nem szinonim variánsok közötti LD növekedéséhez vezet. (A tisztító szelekció, azaz “purifying selection” az evolúciós folyamatoknak az a típusa, amely eltávolítja a populációból a káros, csökkent teljesítményű mutációkat. Míg a szelekciós söprés egy előnyös mutáció gyors elterjedéséről szól, addig a tisztító szelekció ennek a „tükörképe”: nem valami újat terjeszt el, hanem a rossz változatokat szorítja vissza. Lényege, hogy a káros mutációt hordozó egyedek valamivel rosszabbul boldogulnak – kevesebb utódot hagynak, vagy kevésbé életképesek –, ezért ezek a mutációk generációról generációra alacsony gyakoriságúak maradnak, vagy teljesen eltűnnek. Ennek eredményeként a populáció genetikai állománya „tisztább” marad, vagyis kevesebb benne a funkcióromboló változat.)
Miután az elvégzett szimulációk igazolták, hogy a szelekciós söprések növelhetik az LD-t a gyakori variánsok között, a kutatók humán bélbaktériumokban is megmérték az LD-t, hogy kiderítsék, megfigyelhető-e ez a jel természetes populációkban. Ehhez 693 személy három kontinensről származó metagenomikai adatait elemezték, és összesen 32 baktériumfaj 3316 haplotípusát vizsgálták meg. A legtöbb vizsgált fajban a gyakori nem szinonim variánsok között szignifikánsan magasabb LD-t találtak, ami pozitív szelekcióra utal. A ritka variánsok esetében alacsonyabb LD jelentkezett, ami inkább tisztító szelekció jelenlétét jelezte. Ezek az összefüggések arra utalnak, hogy a bélbaktériumok nem szinonim helyein széles körben érvényesül mind a pozitív, mind a tisztító szelekció.
Az iLDS-t a kutatók kifejezetten arra fejlesztették ki, hogy a közelmúltbeli pozitív szelekció által érintett genomrégiókat azonosítsa az összesített és a nem szinonim LD mérésével. Az iLDS-t szimulált és valós Clostridioides difficile adatokon is tesztelték, és a módszer érzékenynek bizonyult a friss és zajló szelekciós söprések kimutatására, miközben alacsony hamis pozitív arányt tartott fenn. A 135 C. difficile izolátum elemzése során az iLDS pontosan azonosította a korábban ismert söprési régiókat, például a tcdB gént, miközben a genom nagy része nem mutatott szelekciós jelet.
Összesen hat szelekciós söprést azonosítottak, köztük a tcdB és az S-réteg régióit. Az iLDS más statisztikáknál jobban teljesített, gyakran egybeesett ismert virulenciagénekkel, és olyan söpréseket is feltárt, amelyek rekombinációval közvetített adaptív allélterjedésre utaltak. A módszer hatékonyságát Helicobacter pylori és Drosophila melanogaster adatokon is megerősítették.
Az iLDS alkalmazása 32 bélmikrobiom-faj genomjain 155 szelekciós söprést tárt fel, amelyek 447 gént érintettek. Egyes géncsoportok – például a keményítőhasznosításban szerepet játszó susC/susD gének és a glikozid-hidrolázok – ismételten szelekció alatt álltak, ami arra utal, hogy a szénhidrát-anyagcsere és -transzport génjei gyakori célpontjai az adaptációnak.
Az iLDS módszer új megvilágításba helyezi, miként formálják a szelekciós erők a bélmikrobiomot, és hogyan alkalmazkodnak a bélbaktériumok a környezeti hatásokhoz és a gazdaszervezet sajátosságaihoz. Bár a vizsgálat több száz szelekciós söprést tárt fel, a konzervatív beállítások miatt valószínű, hogy további valódi pozitív esetek rejtve maradtak. A jövőben elengedhetetlen a feltárt lókuszok részletes funkcionális vizsgálata annak megértéséhez, hogy a mikrobiom genetikai változásai miként befolyásolják a gazdaszervezet fenotípusait, hogyan járulhatnak hozzá betegségek diagnosztikájához és kezeléséhez, valamint miként segíthetik a célzott probiotikumok fejlesztését.
Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:
How modern diets are driving rapid evolution in gut bacteria
Gene-specific selective sweeps are pervasive across human gut microbiomes
Irodalmi hivatkozás:
Wolff, R., and Garud, N. R. (2025. Gene-specific selective sweeps are pervasive across human gut microbiomes. Nature. 1-8. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09798-y. https://www.nature.com/articles/s41586-025-09798-y
