Войти
Разнообразные микробные сообщества характерной микробиоты являются частью микробиом растений и встречаются на на внешней поверхности и во внутренних тканях растения-хозяина, а также в окружающей почве. Микробиота - это «экологические сообщества комменсалов, симбиотических и патогенные микроорганизмы ", обнаруженные во всех многоклеточных организмах, изученных на сегодняшний день, от растений до животных. Микробиота включает бактерии археи, протисты, грибы и вирусы. Было обнаружено, что микробиота имеет решающее значение для иммунологического, гормонального и метаболического гомеостаза своего хозяина. Термин микробиом описывает либо коллективные геномы микроорганизмов, которые обитают в экологической нише, либо сами микроорганизмы.
Микробиом и хозяин возникли в ходе эволюции как синергетическая единица из эпигенетики и генетических характеристик, иногда вместе именуемая холобионтом.
Преобладающие бактерии на коже человека Все растения и животные, от простых форм жизни людям, л ive в тесной связи с микробными организмами. Несколько достижений повлияли на восприятие микробиомов, в том числе:
Биологи пришли к пониманию того, что микробы составляют важную часть фенотипа организма, далеко за пределами случайный симбиотический пример.
Комменсализм, концепция, разработанная Пьером-Жозефом ван Бенеденом (1809–1894), бельгийским профессором в Лувенском университете в девятнадцатом веке занимает центральное место в микробиоме, где микробиота колонизирует хозяина, не причиняя вреда сосуществованию. Отношения со своим хозяином называются мутуалистическими, когда организмы выполняют задачи, которые, как известно, полезны для хозяина, паразитические, когда они невыгодны для хозяина. Другие авторы определяют ситуацию как мутуалистическую, когда и выигрыш, и комменсальный, когда незатронутый хозяин приносит пользу симбионту. Обмен питательными веществами может быть двунаправленным или однонаправленным, может зависеть от контекста и может происходить различными способами. Предполагаемая микробиота, которая при нормальных обстоятельствах не вызывает заболевания, считается нормальной флорой или нормальной микробиотой; нормальная флора может быть не только безвредной, но и защищать хозяина.
первоначальное приобретение микробиоты у животных, от млекопитающих до морских sponges возникает при рождении и даже может проникать через линию половых клеток. У растений процесс колонизации может быть инициирован под землей в корневой зоне , вокруг прорастающих семян, сперматосферы или происходить из надземных частей, филлосферы и цветочная зона или антосфера. Стабильность ризосферной микробиоты на протяжении поколений зависит от типа растений, но еще больше от состава почвы, то есть живой и неживой среды. Клинически новая микробиота может быть получена путем трансплантации фекальной микробиоты для лечения таких инфекций, как хроническая инфекция C. difficile.
Патогенная микробиота, вызывающая воспаление в легких Микробиота человека включает бактерии, грибы, археи и вирусы. Микро-животные, обитающие на теле человека, исключены. микробиом человека относится к их геномам.
Люди колонизируются многими микроорганизмами; традиционная оценка заключалась в том, что люди живут с в десять раз большим количеством нечеловеческих клеток, чем человеческих клеток; более поздние оценки снизили его до 3: 1 и даже примерно до 1: 1.
Проект Human Microbiome Project секвенировал геном микробиоты человека, уделяя особое внимание микробиоте, которая обычно населяет кожа, рот, нос, пищеварительный тракт и влагалище. Важной вехой стала публикация первых результатов в 2012 году.
Пути колонизации клубней картофеля бактериями На диаграмме справа колонизация микробиоты ризосфера, входящая в корни и колонизирующая следующее поколение клубней через столоны, визуализируется красным цветом. Бактерии, присутствующие в материнском клубне, проходящие через столоны и мигрирующие в растение, а также в клубни следующего поколения, показаны синим цветом.
Световая микрофотография поперечного сечения кораллоидного корня саговника, показывающая слой, в котором находится симбиотический цианобактерии Растения являются привлекательными хозяевами для микроорганизмов, поскольку они обеспечивают множество питательных веществ. Микроорганизмы на растениях могут быть эпифитами (обнаруженными на растениях) или эндофитами (обнаруженными внутри растительной ткани). Оомицеты и грибы имеют, в результате конвергентной эволюции развили сходную морфологию и заняли сходные экологические ниши. У них развиваются гифы, нитевидные структуры, проникающие в хозяйскую клетку. В мутуалистических ситуациях растение часто обменивает гексозные сахара на неорганический фосфат грибкового симбионта. Предполагается, что такие очень древние ассоциации помогли растениям, когда они впервые заселили землю. Бактерии, способствующие росту растений (PGPB), предоставляют растениям необходимые услуги, такие как фиксация азота, солюбилизация минералы, такие как фосфор, синтез гормонов растений, прямое усиление поглощения минералов и защита от патогенов. PGPB могут защищать растения от патогенов, конкурируя с патогеном за экологическую нишу или субстрат, продуцируя ингибирующие аллелохимические вещества или индуцируя системную устойчивость растений-хозяев к патогену
Симбиотические отношения между хозяином и его микробиотой находятся в стадии лабораторных исследований, чтобы выяснить, как они могут формировать иммунную систему млекопитающих. У многих животных иммунная система и микробиота могут вступать в «перекрестный диалог», обмениваясь химическими сигналами, что может позволить микробиоте влиять на иммунную реактивность и нацеливание. Бактерии могут передаваться от матери к ребенку при прямом контакте и после рождения. По мере становления микробиома младенца комменсальные бактерии быстро заселяют кишечник, вызывая ряд иммунных реакций и «программируя» иммунную систему на долговременные эффекты. Бактерии способны стимулировать лимфоидную ткань, связанную со слизистой оболочкой кишечника, что позволяет тканям вырабатывать антитела к патогенам, которые могут проникать в кишечник.
Микробиом человека может играть роль в активации toll -подобные рецепторы в кишечнике, тип рецептора распознавания паттернов, который клетки-хозяева используют для распознавания опасностей и восстановления повреждений. Патогены могут влиять на это сосуществование, что приводит к нарушению регуляции иммунитета, включая восприимчивость к заболеваниям, механизмы воспаления, иммунной толерантности и аутоиммунных заболеваний.
Обесцвеченный ветвящийся коралл (передний план) и нормальный ветвящийся коралл (фон). Острова Кеппел, Большой Барьерный риф.Организмы эволюционируют внутри экосистем, так что изменение одного организма влияет на изменение других. теория эволюции хологенома предполагает, что объектом естественного отбора является не отдельный организм, а организм вместе со связанными с ним организмами, включая его микробные сообщества.
Коралловые рифы . Теория гологенома зародилась в исследованиях коралловых рифов. Коралловые рифы - самые большие структуры, созданные живыми организмами, и содержат многочисленные и очень сложные микробные сообщества. За последние несколько десятилетий произошло резкое сокращение популяций кораллов. Изменение климата, загрязнение воды и чрезмерный вылов рыбы - три стрессовых фактора, которые были описаны как ведущие к восприимчивости к болезням. Описано более двадцати различных болезней кораллов, но лишь у немногих из них были выделены и охарактеризованы их возбудители. Обесцвечивание кораллов - самое серьезное из этих заболеваний. В Средиземном море обесцвечивание Oculina patagonica было впервые описано в 1994 году и вскоре было установлено, что оно вызвано инфекцией. С 1994 по 2002 год бактериальное обесцвечивание O. patagonica происходило каждое лето в восточном Средиземноморье. Однако удивительно, что после 2003 г. O. patagonica в восточном Средиземноморье оказалась устойчивой к инфекции V. shiloi, хотя другие болезни все еще вызывают обесцвечивание. Неожиданность проистекает из знания о том, что кораллы живут долго, с продолжительностью жизни порядка десятилетий и не обладают адаптивной иммунной системой. Их врожденная иммунная система не вырабатывает антител, и они, по-видимому, должны быть не в состоянии реагировать на новые вызовы, кроме как в эволюционных временных масштабах.
Загадка того, как кораллам удалось приобрести устойчивость к Определенный патоген привел к предложению 2007 года, что между кораллами и их симбиотическими микробными сообществами существует динамическая связь. Считается, что, изменяя свой состав, холобионт может адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды гораздо быстрее, чем только путем генетической мутации и отбора. Экстраполяция этой гипотезы на другие организмы, включая высшие растения и животных, привела к предложению теории эволюции гологенома.
По состоянию на 2007 год теория гологенома все еще обсуждалась. Серьезной критикой было утверждение, что V. shiloi был ошибочно идентифицирован как возбудитель обесцвечивания кораллов, и что его присутствие в обесцвеченном O. patagonica было просто признаком оппортунистической колонизации. Если это правда, то основное наблюдение, ведущее к теории, будет неверным. Теория приобрела значительную популярность как способ объяснения быстрых изменений в адаптации, которые иначе нельзя объяснить традиционными механизмами естественного отбора. В рамках теории хологенома холобионт стал не только основной единицей естественного отбора, но и результатом другой стадии интеграции, которая также наблюдается в клетке (симбиогенез, эндосимбиоз ) и геномных уровнях.
Целевое секвенирование ампликона зависит от некоторых ожиданий в отношении состава сообщества, которое изучается. При секвенировании целевого ампликона филогенетически информативный маркер предназначен для секвенирования. Такой маркер должен в идеале присутствовать во всех ожидаемых организмах. Он также должен развиваться таким образом, чтобы он был достаточно консервативным, чтобы праймеры могли нацеливаться на гены от широкого круга организмов, при этом эволюционируя достаточно быстро, чтобы обеспечить более точное разрешение на таксономическом уровне. Обычным маркером для исследований микробиома человека является ген бактериальной 16S рРНК (то есть «16S рДНК», последовательность ДНК, которая кодирует молекулу рибосомной РНК). Поскольку рибосомы присутствуют во всех живых организмах, использование 16S рДНК позволяет амплифицировать ДНК из гораздо большего числа организмов, чем при использовании другого маркера. Ген 16S рДНК содержит как медленно развивающиеся области, так и быстро развивающиеся области; первый можно использовать для конструирования широких праймеров, в то время как второй позволяет более тонкое таксономическое различие. Однако разрешение на уровне видов обычно невозможно с использованием рДНК 16S. Выбор праймера является важным этапом, поскольку все, что не может быть нацелено праймером, не будет амплифицировано и, следовательно, не будет обнаружено. Было показано, что разные наборы праймеров амплифицируют разные таксономические группы из-за вариации последовательностей.
Целевые исследования эукариотических и вирусных сообществ ограничены и связаны с проблемой исключения ДНК хозяина из амплификации и снижением эукариотической и вирусной биомассы в микробиоме человека.
После секвенирования ампликонов молекулярно-филогенетические методы используются для определения состава микробного сообщества. Это делается путем кластеризации ампликонов в операционные таксономические единицы (OTU) и определения филогенетических отношений между последовательностями. Из-за сложности данных измерения расстояния, такие как расстояния UniFrac, обычно определяются между образцами микробиома, а последующие многомерные методы выполняются на матрицах расстояний. Важным моментом является то, что масштаб данных обширен, и необходимо применять дополнительные подходы для выявления закономерностей на основе доступной информации. Инструменты, используемые для анализа данных, включают VAMPS, QIIME и mothur.
Метагеномика также широко используется для изучения микробных сообществ. При метагеномном секвенировании ДНК извлекается непосредственно из образцов окружающей среды нецелевым образом с целью получения объективной выборки из всех генов всех членов сообщества. Недавние исследования использовали дробовик секвенирование по Сэнгеру или пиросеквенирование для восстановления последовательностей считываний. Затем считывания могут быть собраны в контиги. Чтобы определить филогенетическую идентичность последовательности, ее сравнивают с доступными последовательностями полного генома с использованием таких методов, как BLAST. Одним из недостатков этого подхода является то, что многие члены микробных сообществ не имеют репрезентативного секвенированного генома, но это также относится к секвенированию ампликона 16S рРНК и является фундаментальной проблемой. С помощью дробного секвенирования эту проблему можно решить, обеспечив высокий охват (50–100 раз) неизвестного генома, эффективно выполняя сборку генома de novo . Как только становится доступен полный геном неизвестного организма, его можно филогенетически сравнить, и этот организм займет свое место на древе жизни, создав новые таксоны. Возникающий подход заключается в объединении секвенирования дробовиком с данными лигирования с близостью (Hi-C ) для сборки полных микробных геномов без культивирования.
Несмотря на то, что метагеномика ограничена доступностью справочных материалов последовательностей, одно существенное преимущество метагеномики перед целевым секвенированием ампликонов состоит в том, что данные метагеномики могут прояснить функциональный потенциал ДНК сообщества. Целевые исследования генов не могут этого сделать, поскольку они только выявляют филогенетические отношения между одним и тем же геном у разных организмов. Функциональный анализ выполняется путем сравнения восстановленных последовательностей с базами данных метагеномных аннотаций, такими как KEGG. Метаболические пути, в которые вовлечены эти гены, затем можно предсказать с помощью таких инструментов, как MG-RAST, CAMERA и IMG / M.
Метатранскриптомические исследования были выполнены для изучать экспрессию генов микробных сообществ с помощью таких методов, как пиросеквенирование выделенной РНК. Структурные исследования также выявили некодирующие РНК (нкРНК), такие как рибозимы из микробиоты. Метапротеомика - это подход, который изучает белки, экспрессируемые микробиотой, позволяя понять ее функциональный потенциал.
Проект человеческого микробиома, запущенный в 2008 году, был инициативой Национального института здравоохранения США по идентификации и характеристике микроорганизмов, обнаруженных в здоровых и больных людей. Пятилетний проект, лучше всего охарактеризованный как технико-экономическое обоснование с бюджетом 115 миллионов долларов, проверял, как изменения в микробиоме человека связаны со здоровьем или болезнью человека.
Проект «Микробиом Земли» (EMP) - это инициатива по сбору природных образцов и анализу микробного сообщества по всему миру. Микробы очень многочисленны, разнообразны и играют важную роль в экологической системе. Тем не менее, по состоянию на 2010 год было подсчитано, что общая глобальная попытка секвенирования ДНК окружающей среды произвела менее 1 процента от общей ДНК, обнаруженной в литре морской воды или грамме почвы, а конкретные взаимодействия между микробами в значительной степени неизвестны. EMP направлен на обработку до 200 000 образцов в различных биомах, создание полной базы данных микробов на Земле для характеристики окружающей среды и экосистем по микробному составу и взаимодействию. Используя эти данные, можно предложить и протестировать новые экологические и эволюционные теории.
Микробиота кишечника очень важна для здоровья хозяина, поскольку она играет роль в деградации неперевариваемые полисахариды (ферментация резистентного крахмала, олигосахаридов, инулина), укрепляющие целостность кишечника или формирующие эпителий кишечника, собирая энергию, защищая от патогенов и регулируя иммунитет хозяина.
Несколько исследований показали, что бактериальный состав кишечника в пациенты с диабетом изменились с повышением уровня Lactobacillus gasseri, Streptococcus mutans и членов Clostridiales, со снижением количества бактерий, продуцирующих бутират, таких как Roseburia Кишечник и Faecalibacterium prausnitzii. Это изменение вызвано многими факторами, такими как злоупотребление антибиотиками, диета и возраст.
Снижение продукции бутирата связано с дефектом кишечной проницаемости, этот дефект приводит к эндотоксемии, которая представляет собой повышенный уровень циркулирующих липополисахаридов из стенок грамотрицательных бактериальных клеток. Установлено, что эндотоксемия связана с развитием инсулинорезистентности.
Кроме того, выработка бутирата влияет на уровень серотонина. Повышенный уровень серотонина способствует ожирению, которое, как известно, является фактором риска развития диабета.
Микробная ДНК, обитающая в человеческом теле человека, может однозначно идентифицировать человека. Конфиденциальность человека может быть нарушена, если он анонимно передал данные ДНК микроба. Их медицинское состояние и личность могут быть установлены.
 | Найти микробиота в Викисловаре, бесплатный словарь. |
