Проект «Микробиом Человека» (ПМЧ) — The Human Microbiome Project (HMP) — это исследовательская инициатива Национальных институтов здравоохранения США, проявленная с целью лучшего понимания микрофлоры человека и её значения для человеческого здоровья и проблем, с ним связанных. Первая фаза запущенного в 2007 году проекта была сосредоточена на определении и характеристиках микрофлоры человека. Вторая фаза, известная как Интегративный Проект «Микробиом Человека» (иПМЧ), началась в 2014 году с целью развития ресурсной базы для характеристики микробиома и прояснения роли микробов в состояниях здоровья и болезни человека. Эта программа получила финансовую поддержку в размере 170 миллионов долларов США от общего фонда Национальных институтов здравоохранения США с 2007 по 2016 гг.
Важными компонентами ПМЧ стали свободные от культурирования методы характеристики микробиального сообщества, такие как метагеномика (которая открывает широкую генетическую перспективу в пределах отдельно взятого микробиального сообщества), а также обширное определение последовательности полного генома (что даёт «глубокий» взгляд на некоторые аспекты определённого микробиального сообщества, то есть индивидуальных видов бактерий). Последний компонент исследования послужил делу адресного секвенирования геномов — в настоящее время запланировано определение около 3000 последовательностей индивидуальных бактериальных изолятов — во время последующего метагеномного анализа. Проект также финансировал «глубокое» секвенирование бактериальной 16S рРНК на фоне усиления полимеразной цепной реакции у наблюдаемый людей.
Введение
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. 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. 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).
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.
ПМЧ был описан как «логическое, концептуальное и экспериментальное продолжение Проекта „Геном человека“». В 2007 году ПМЧ был включён в Дорожную Карту Медицинских ИсследованийНациональных институтов здравоохранения США как один из Новых Путей к Открытию. Организованное описание микробиома человека осуществляется на международном уровне при содействии International Human Microbiome Consortium.
Первая фаза (2007—2014)
Объединив усилия многих институтов, ПМЧ ставил перед собой следующие задачи:
- 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
Вторая фаза (2014—2016)
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. Ключевые открытия иПМЧ были опубликованы в 2019 году.
Достижения ПМЧ
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. 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; метагеномные наборы данных, интегрирующие изолированные микробиальные геномы; базу данных биохимически описанных протеинов; а также геномную базу данных онлайн для мониторинга состояния геномных и метагеномных проектов по всему миру связанных с ними метаданных.
- 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; средство для регулировки РНК, работающее на базе Web; настраиваемый веб-сервер для быстрого метагеномного секвенирования; а также инструмент для точного и эффективного обобщения филогенетических маркеров.
- Развитие новых методов и систем для сбора массивов информации по секвенированию. Нет единого алгоритма, который бы мог соответствовать всей известной проблематике сбора короткомерных последовательностей, поэтому программы сбора следующих поколений будут модульными наборами инструментов для сбора данных. Были разработаны новые алгоритмы для улучшения качества и полезности черновых геномных последовательностей.
- 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.
- Создание Центра Анализа и Координации Данных, который служит как центральное хранилище для всей информации ПМЧ.
- Проведение различных наблюдений, связанных с юридическими и этическими аспектами исследований в области полного геномного секвенирования.
Реальные достижения ПМЧ включают:
- Новые методы прогнозирования для определения активных мест соединения фактора транскрипции.
- Определение на базе биоинформационного доказательства широко распространённого, рибосомно произведённого предшественника переносчика электрона.
- Замедленное движущееся изображение микробиома человека.
- Определение уникальных приспособлений, которыми пользуются сегментированные нитчатые бактерии (СНБ) в роли кишечных симбионтов. 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.
- Определение до этого неопознанной доминирующей роли Verrucomicrobia в почвенных бактериальных сообществах.
- Определение факторов, влияющих на силу вирулентности штаммов бактерии Gardnerella vaginalis при вагинозе.
- Определение связи между оральной микробиотой и атеросклерозом.
- Демонстрация обмена факторами вирулентности между патогенными представителями рода бактерий Neisseria, участвующими в развитии менингита, сепсиса и ЗППП, и их симбионтами.
Неожиданные находки
Наряду с созданием отсылочной базы данных по микробиому человека ПМЧ также совершил несколько неожиданных находок:
- Микробы вносят в дело выживания человека больше генов, чем гены человека сами по себе. Установлено, что бактериальные гены протеинового кодирования в 360 раз более распространены, чем подобные им человеческие гены.
- Микробиальная метаболическая активность: например, усвоение жиров, которое зависит не от одинаковых видов бактерий. Исследование продолжается.
- Компоненты микробиома человека меняются с течением времени под влиянием болезненных изменений и лекарственных средств. Однако микробиом так или иначе возвращается в состояние (обеднённого) равновесия, даже если бактериальный состав изменился.
Клиническое использование
На основе данных ПМЧ выявлено обеднение вагинального микробиома у подавляющего большинства наблюдавшихся женщин непосредственно перед родами, а также высокая нагрузка вирусных ДНК в назальной микрофлоре детей с необъяснимыми случаями жара. Дополнительно было подтверждено изменение состояния (обеднение) микробиома при различных заболеваниях пищеварительного тракта, кожи, репродуктивных органов и при психических расстройствах (особенно у детей и подростков).