Проанализировав образцы человеческого кала, ученые идентифицировали 54118 видов вирусов, большинство из которых оказались вирусами бактерий — бактериофагами

В последнее время растет интерес ученых к микробиоте человека — микроорганизмам, обитающим на нашей коже и слизистых и оказывающим значительное влияние на наше здоровье. Возможно, наибольшее количество симбионтной флоры живет в человеческом кишечнике: она участвует в переваривании пищи, защите от патогенов, созревании иммунной системы и модуляции ее активности и даже влияет на высшую нервную деятельность.

На сегодня кишечная микробиота человека — наиболее хорошо изученная микробная экосистема в мире, хотя до сих пор более 70% видов бактерий не удалось вырастить в культуре в лабораторных условиях. Это известно благодаря применению методов метагеномика - генетического анализа материала, полученного по тому или иному среды. Сиквенс всей ДНК такого материала предоставляет мгновенный «снимок» всего живого, в конкретный момент оказалось в образце. Метагеномика показала, насколько далеко современная наука находится от того, чтобы определить и выделить все кишечные бактерии, и еще дальше — от того, чтобы разобраться с кишечными вирусами.

Ученые с помощью компьютерных программ проанализировали 11810 метагеномов фекальных образцов, полученных у людей из 24 стран*. Их целью было — определить, какая доля геномов кишечных жителей приходится на вирусы. Результатом исследования стало создание «метагеномного каталога кишечных вирусов» (Metagenomic Gut Virus catalog), который стал крупнейшим на сегодня подобным ресурсом. Каталог содержит 189 680 вирусных геномов, представляющие более 50 000 видов вирусов. Интересно, что более 90% из них науке неизвестны. Вместе они кодируют более 450 тыс. различных белков, которые могут быть полезны или вредны для бактерий и, соответственно, могут оказывать то или иное влияние на человека.

Наиболее распространенным генетическим элементом в проанализированных фаговых геномах являются так называемые «ретроэлементы, генерирующие многообразие» (diversity-generating retroelements – DGRs). Они вызывают мутации в специфических генах-мишенях, чтобы создавать как можно больше вариантов для постоянного отбора оптимальных в эволюционной гонке с бактериями-хозяевами.

После идентификации фаги следовало связать с бактериями-хозяевами. Для этого ученые воспользовались особенностями системы CRISPR — своеобразной иммунной системы бактерий, которая «запоминает» вирусные инфекции и предупреждает их повторение. Бактерии копируют и хранят в собственном геноме фрагменты вирусных генов, чтобы узнать и разрушить вирус в случае повторного вторжения. Эти копии могут рассказать, для которых фагов бактерия является хозяином в кишечной экосистеме.

Вполне закономерно наиболее распространены в кишечнике виды вирусов были связаны с наиболее распространенными в этой экосистеме видами бактерий — преимущественно представителями типов Firmicutes и Bacteroidota.

Какая польза в исследовании кишечных вирусов? Весьма перспективным направлением применения полученной информации является фаготерапия, а именно направленное воздействие на микробиоту человека с помощью бактериофагов. Если диета, антибиотики, пробиотики, пребиотики и другие современные подходы оказывают общее неспецифическое влияние на микробиоту, то фаготерпия может обеспечить тонкое моделирование ее состав. Например, фаги могут быть эффективным средством терапии инфекции Clostridioides difficile, развивающейся преимущественно вследствие длительной антибиотикотерапии.

Хотя авторы уже имеют большой объем информации в отношении вирусов — компонентов нормальной кишечной микробиоты человека, они признают, что «познакомились» лишь с малой частью этой огромного «вселенной» и до полной картины еще долгий путь.

* Nayfach S, Páez-Espino D, Call L et al. Metagenomic compendium of 189,680 DNA viruses from the human gut microbiome. Nat Microbiol, 2021; 6: 960–970. https://doi.org/10.1038/s41564-021-00928-6