Проект «Микробиом человека»

Ещё до запуска ПМЧ в популярных СМИ и в научной литературе часто сообщалось, что в теле человека микробиальных клеток примерно в 10 раз, а микробиальных генов в 100 раз больше, чем человеческих клеток. Эти цифры основывались на оценке человеческого микробиома, который содержит около 100 триллионов бактериальных клеток, в то время как типичный взрослый человек имеет примерно 10 триллионов человеческих клеток.[4] В 2014 году Американское Общество Микробиологии опубликовало брошюру, в которой был сделан акцент на том, что число микробиальных клеток и число человеческих клеток — это приблизительно равные величины. Также отмечалось, что в ходе недавних исследований учёные пришли к выводу, что человеческие клетки насчитывают примерно 37 триллионов, имея в виду соотношение микробиальных к человеческим клеткам 3:1.[5] В 2016 году другая группа опубликовала новую оценку соотношения 1:1 (1.3:1, с неопределённостью 25 % и вариативностью 53 % среди популяции типичных мужчин весом 70 кг).[6][7]

Несмотря на разные оценки огромного числа микробов внутри и снаружи тела человека, мало было известно об их ролях в состоянии здоровья (и нездоровья) человека. Многие из организмов, которые составляют микробиом, не были успешно выделены, определены или как-то охарактеризованы. Организмы, которые, как считается, могут быть найдены в человеческом микробиоме, попадают под определение бактерии, членов домена Археи, дрожжи и простейшие, также как различные гельминты и вирусы, включая вирусы, поражающие клетки человеческого микробиома (бактериофаги). ПМЧ выступил как открыватель и описатель микробиома человека, уделяя особое внимание оральному, кожному, вагинальному, желудочно-кишечному и дыхательному участкам тела.

ПМЧ призван ответить на некоторые из самых вдохновляющих, раздражающих и просто основных научных вопросов сегодняшнего дня. Главное то, что у проекта есть потенциал для устранения искусственных барьеров между микробиологией в медицине и в окружающей среде. Возможно, ПМЧ не только обозначит новые пути определения здоровья и предрасположенности к болезням, но также уточнит параметры, необходимые для создания, применения и оценки стратегий сознательного управления человеческой микрофлорой, чтобы достичь качественно нового уровня в контексте оптимального физиологического здоровья.[8]

ПМЧ был описан как «логическое, концептуальное и экспериментальное продолжение Проекта „Геном человека“».[9] В 2007 году ПМЧ был включён в Дорожную Карту Медицинских Исследований[10] Национальных институтов здравоохранения США как один из Новых Путей к Открытию. Организованное описание микробиома человека осуществляется на международном уровне при содействии International Human Microbiome Consortium.

Объединив усилия многих институтов,[11] ПМЧ ставил перед собой следующие задачи[12]:

• Разработать множество элементарных исходов секвенирования микробиального генома и сделать предварительное описание микробиома человека
• Исследовать связь между болезнью и изменениями в микробиоме человека
• Разработать новые технологии и инструменты для компьютерного анализа
• Основать ресурсное хранилище
• Изучать этические, юридические и социальные последствия исследования микробиома человека

В 2014 году Национальные институты здравоохранения США перешли к следующей фазе ПМЧ, которая больше известна как Интегративный Проект «Микробиом Человека» (иПМЧ).

Проект объединил три подпроекта, которые реализовывались в разных институтах. Миссия проекта была заявлена так: «…иПМЧ создаст интегрированные продольные наборы данных биологических свойств как самого микробиома, так и „хозяина“ на основе трёх различных когортных исследований микробиомозависимых состояний с использованием множественных „-омик“ (технологий)».

Методы изучения включали профиль генной экспрессии 16S рРНК, цельную метагеномику методом дробовика, определение последовательности полного генома, метатранскриптомику (экспрессию микробиальных генов в естественной среде обитания), метаболомику, липидомику, а также иммунопротеомику[13]. Ключевые открытия иПМЧ были опубликованы в 2019 году.[14]

На сегодняшний день влияние ПМЧ может быть частично определено с помощью оценки исследований, финансированных через ПМЧ. Свыше 650 реферируемых публикаций были размещены на сайте ПМЧ с июня 2009 года и до конца 2017 года и были процитированы свыше 70000 раз[15]. Сейчас сайт проекта архивирован и больше не обновляется, хотя данные по-прежнему общедоступны. Основные категории работ, получившие поддержку ПМЧ, включают:

• Развитие систем баз данных, позволяющих эффективно организовывать, хранить, использовать, исследовать и комментировать большие объёмы информации. Они включают базу данных по Интегрированным Микробиальным Геномам и систему сравнительного анализа[16]; метагеномные наборы данных, интегрирующие изолированные микробиальные геномы[16]; базу данных биохимически описанных протеинов[17]; а также геномную базу данных онлайн для мониторинга состояния геномных и метагеномных проектов по всему миру связанных с ними метаданных[18].
• Развитие инструментов для сравнительного анализа, которые упрощает распознавание общих моментов, основных тем и тенденций в комплексных наборах данных. Они включают быстрый и структурированный поисковый инструмент для выявления схожести протеинов для следующего поколения генетического секвенирования[19]; средство для регулировки РНК, работающее на базе Web[20]; настраиваемый веб-сервер для быстрого метагеномного секвенирования[21]; а также инструмент для точного и эффективного обобщения филогенетических маркеров[22].
• Развитие новых методов и систем для сбора массивов информации по секвенированию. Нет единого алгоритма, который бы мог соответствовать всей известной проблематике сбора короткомерных последовательностей[23], поэтому программы сбора следующих поколений будут модульными наборами инструментов для сбора данных[24]. Были разработаны новые алгоритмы для улучшения качества и полезности черновых геномных последовательностей[25].
• Сбор каталога секвенированных направляющих геномов чистых культур бактерий из многочисленных участков тела, относительно которых может быть проведено сравнение метагеномных результатов. Исходный план определения 600 геномов был давно перевыполнен; текущий план — внести в этот справочный каталог 3000 геномов, секвенированных хотя бы до «получернового» состояния. По состоянию на март 2012, были каталогизированы 742 генома[26].
• Создание Центра Анализа и Координации Данных, который служит как центральное хранилище для всей информации ПМЧ[27].
• Проведение различных наблюдений, связанных с юридическими и этическими аспектами исследований в области полного геномного секвенирования[28][29][30][31].

Реальные достижения ПМЧ включают:

• Новые методы прогнозирования для определения активных мест соединения фактора транскрипции[32].
• Определение на базе биоинформационного доказательства широко распространённого, рибосомно произведённого предшественника переносчика электрона[33].
• Замедленное движущееся изображение микробиома человека[34].
• Определение уникальных приспособлений, которыми пользуются сегментированные нитчатые бактерии (СНБ) в роли кишечных симбионтов[35]. Важность СНБ в том, что они стимулируют клетки Т-хелперов 17, которые, как считается, играют ключевую роль в аутоиммунных заболеваниях.
• Определение способов различия между здоровым состоянием и болезненными проявлениями микробиоты кишечника[36].
• Определение до этого неопознанной доминирующей роли Verrucomicrobia в почвенных бактериальных сообществах[37].
• Определение факторов, влияющих на силу вирулентности штаммов бактерии Gardnerella vaginalis при вагинозе.[38]
• Определение связи между оральной микробиотой и атеросклерозом[39].
• Демонстрация обмена факторами вирулентности между патогенными представителями рода бактерий Neisseria, участвующими в развитии менингита, сепсиса и ЗППП, и их симбионтами[40].

• Микробиом человека

• Официальная информационная страница проекта «Микробиом человека»