Itai Sharon, Michael J. Morowitz, Brian C. Thomas, Elizabeth K. Costello, David A. Relman, and Jillian F. Banfield,
The gastrointestinal microbiome undergoes shifts in species and strain abundances, yet dynamics involving closely related microorganisms remain largely unknown because most methods cannot resolve them. We developed new metagenomic methods and utilized them to track species and strain level variations in microbial communities in 11 fecal samples collected from a premature infant during the first month of life. Ninety six percent of the sequencing reads were assembled into scaffolds of >500 bp in length that could be assigned to organisms at the strain level. Six essentially complete (~99%) and two near-complete genomes were assembled for bacteria that comprised as little as 1% of the community, as well as nine partial genomes of bacteria representing as little as 0.05%. In addition, three viral genomes were assembled and assigned to their hosts. The relative abundance of three Staphylococcus epidermidis strains, as well as three phages that infect them, changed dramatically over time. Genes possibly related to these shifts include those for resistance to antibiotics, heavy metals, and phage. At the species level, we observed the decline of an early-colonizing Propionibacterium acnes strain similar to SK137 and the proliferation of novel Propionibacterium and Peptoniphilus species late in colonization. The Propionibacterium species differed in their ability to metabolize carbon compounds such as inositol and sialic acid, indicating that shifts in species composition likely impact the metabolic potential of the community.
Luisa Sandner
ReplyDeleteTime series community genomics analysis reveals rapid shifts in bacterial species, strains, and phage during infant gut colonization
Itai Sharon et al.
La mayoría de la microbiota humana está en el tracto intestinal y los genomas de estos microorganismos codifican para unos 3 millones de genes únicos, más de dos órdenes de magnitud que los genes del humano. Se sabe que hay factores que hacen que esta microbiota cambie en el tiempo, entre ellos, los nutrientes, las drogas y alcohol, la presencia de fagos y de patógenos oportunistas.
Los autores realizaron un estudio metagenómico en el tiempo de 11 muestras fecales recuperadas de un infante prematuro durante su primer mes de vida y de allí extrajeron el DNA para secuenciar y ensamblar. Una de las cosas más relevantes de este trabajo es que lograron ensamblar 6 genomas completos, 2 casi completos y 9 genomas parciales de bacterias raras. También lograron ensamblar 3 genomas virales.
De los resultados más importantes que ellos nos presentan es la prevalencia de pocas cepas al comienzo de la colonización y sus cambios de abundancia relativa al paso del tiempo. La comunidad estuvo dominada por E. faecalis (del phylum Firmicutes). Otras especies dominantes fueron las asociadas a la piel, lo cual es de esperarse ya que el infante nació por cesárea. Se trata de 4 especies del género Staphylococcus (del phylum Firmicutes). S. aureus aparece al día 22 y estuvo representada por 2 cepas. S. epidermidis fue relativamente abundante durante todo el estudio y las abundancias de sus cepas fluctuaron significativamente. También identificaron dos especies de Propionibacterium (phylum Actinobacteria) Propionibacterium acnes y Propi Carrol una especie que se encontró abundante al principio y al final de la colonización. También encontraron una especie de Peptoniphilus que aparece tarde en la colonización. Es importante notar que la tendencia en la colonización en el tiempo es de bacterias anaerobias facultativas a anaerobias obligadas.
Hicieron un estudio de abundancias relativas entre las 3 cepas de S. epidermidis
infectadas por sus fagos y encontraron un patrón opuesto de abundancias entre las dos cepas de bacterias dominantes. La proliferación de una cepa va acompañada por el declive de la otra. Hicieron un estudio de genómica comparativa entre estas dos cepas, con los genes de funciones relevantes y encontraron diferencias: en cantidad de genes que codifican para resistencia a antimicrobianos, formación de biofilms, genes relacionados a la transferencia horizontal y genes de transportadores específicos de cepa.
Hicieron el mismo análisis de genómica comparativa con las dos cepas de Propionibacterium y encontraron que muchos genes reguladores y de transporte son únicos de genotipo, también encontraron genes relacionados a la resistencia de arsénico y a la utilización del ácido siálico. Ellos concluyen que la producción de ácido siálico, relacionada a la evasión del sistema inmune del hospedero es crucial para la colonización del tracto digestivo.
Martha Segura, Evolución de las interacciones microbianas, 2015-2. Lunes 4 mayo 2015
ReplyDeleteEnsayo Sharon et al (2013) Time series community genomics analysis reveals rapid
shifts in bacterial species, strains, and phage during infant gut colonization
Este trabajo muestra la composición de la comunidad microbiana a nivel de género, especie, cepas, genes y funciones de once muestras fecales de una bebé de 15 días de edad, durante un periodo importante para la colonización del sistema digestivo de los recién nacidos. El objetivo fue hacer una reconstrucción de distintos genomas para estudiar mejor la diversidad de la comunidad (tanto los elementos abundantes como los poco abundantes) y dar información acerca de la función metabólica de cada miembro de la comunidad.
En la parte técnica de reconstrucción de los genomas, los autores se aseguraron de que los fragmentos fuesen ensamblados en el orden correcto y también de que fuera posible lograr la correspondencia entre los datos de abundancia con los grupos de los fragmentos que representaban distintos OTUs o genomas.
Este trabajo pudo reconstruir el genoma de algunos de los miembros menos abundantes de la comunidad, que representaban hasta el 0.05% de esta. Las muestras que se analizaron eran relativamente poco complejas.
En el periodo de estudio, se observó una sucesión de bacterias, que fue de las anaerobias facultativas como algunas Staphylococcus y Propionibacterium acnes, hacia una comunidad compuesta por bacterias anaerobias estrictas como Propionibacterium “Carrol” y Peptoniphilus “Carrol”, ambas posiblemente asociadas con la piel pero adaptadas a condiciones anaerobias.
Además de los genomas de las bacterias, se reconstruyeron 4 genomas de fagos, dos de los cuales se relacionaron con la presencia, disminución o aumento de dos cepas de Staphilococcus epidermis; en el caso de una de estas cepas, el aumento de su concentración frente a la disminución de un fago, podría indicar un fenómeno de resistencia de la bacteria. De hecho, ambas cepas de bacterias presentaron distintos niveles de resistencia a distintos compuestos; estas similitudes y diferencias se explican con eventos de transferencia lateral.
Por otro lado, la presencia o ausencia de dos especies de Propionibacterium que a su vez difieren en los genes que tienen, podría indicar cómo es y qué funciones se llevan a cabo durante la fase temprana de la colonización del sistema digestivo en los neonatos, en la que las condiciones se perfilan hacia la anaerobiosis. En particular, Propionibacterium “Carrol” podría tener un papel sumamente importante en rutas metabólicas esenciales como la síntesis de aminoácidos.
Un resultado importante es que la comunidad bacteriana presente en el proceso de colonización del sistema digestivo del neonato es dinámica y poco diversa en géneros y especies, sin embargo muy diversa a nivel de cepas en cuanto a presencia de genes y por tanto funciones. Este hecho muestra que lo más importante dentro de una comunidad bacteriana es su “funcionamiento” y no tanto la alta diversidad de bacterias, como lo respaldan los trabajos de Stearns (2011) y The Human Microbiome Project Consortium (2012), enfocados a estudiar el microbioma de distintas regiones del cuerpo humano adulto.
Me llamó mucho la atención que en el primer párrafo, los autores citaran un trabajo de 1977 que concluye que en el estómago habita una vasta mayoría de microorganismos, cuando hay al menos dos artículos de dos años anteriores al estudio presente (Stearns (2011); The Human Microbiome Project Consortium (2012)) que muestran que genéticamente, el estómago es uno de los sitios menos diversos comparado con la boca por ejemplo; por lo tanto, considero que la referencia de hace más de 36 años no podría ser tan buen punto de partida para un estudio genómico y con técnicas tan nuevas. Otro aspecto que considero que faltó fue hablar un poco más sobre Enterococcus fecalis, la bacteria más abundante y los menos abundantes de los que se obtuvo el genoma completo.
Alejandra Hernández Terán
ReplyDeleteTime series community genomics analysis reveals rapid shifts in bacterial species, strains and phage during infant gut colonization
Sharon, 2013
El microbioma gastrointestinal es un ambiente altamente diverso con dinámicas ecológicas de microorganismos que intervienen directamente en procesos importantes del cuerpo humano; como el procesamiento de nutrientes y absorción de energía. El genoma de estos microorganismos codifica para 3 millones de genes; existiendo más de 100 especies en 9 phylum, con 150 especies dominantes en el intestino de los individuos. Estos a su vez, influyen en el metabolismo, humor y procesos de salud-enfermedad. Con estas cifras se entiende que muy poco se sabe acerca de las interacciones que se llevan a cabo en esta comunidad compleja, y cómo estas pueden depender de factores inmunológicos, genéticos y ambientales del hospedero. De esta forma, definen los factores de cambio en el microbioma; que son: a. Prenatal, que consiste en la adquisición de bacterias por parte de la madre, b. Nacimiento, donde por parto natural los organismos que se transmiten suelen ser benéficos mientras que por cesárea suelen ser perjudiciales, c. Alimentación, donde de la misma manera aquello adquiridos por leche materna son benéficos mientras que los provenientes de fórmulas lácteas no lo son, y d. Adición de probióticos y antibióticos.
Dado el reducido conocimiento sobre la dinámica de estas comunidades en el cuerpo humano, los autores proponen una nueva metodología útil en la búsqueda de variaciones a nivel de especies y cepas; que consiste en un estudio longitudinal de un recién nacido prematuro el cual tuvo administración de antibióticos. Se secuenciaron un total de 11 muestras tomadas del día 15 al 24 de nacimiento, mediante la plataforma Illumina HiSeq. Los principales resultados arrojan la existencia de especies asociadas con diferencias metabólicas. Contrario a uno de los artículos pasados, los autores lograron ensamblar la mayoría de sus secuencias, logrando el 100% de conectividad para los genomas de Enterococcus faecalis y una especie de Peptoniphilus. Uno de los resultados que me parece más interesante es que al comparar los patrones de crecimiento con los respectivos fagos de cada grupo bacteriano, encuentran casos en los que se observa como al principio muestran dinámicas de crecimiento similares para después, en el tiempo, mostrar que se separan, elevándose el crecimiento de la bacteria pero el del fago decayendo, esto lo explican como procesos de resistencia abortiva, donde las bacterias desarrollan algún tipo de resistencia que les impide verse afectadas por su fago. Es interesante tomar estos resultados desde una perspectiva ecológica, donde como se mencionaba en clase, esta dinámica de colonización y de cambio en las comunidades bacterianas podría explicarse muy bien con el concepto de Sucesión Ecológica, donde la comunidad se encamina hacia un estado de maduración que conlleva mayor complejidad y por lo tanto mayor funcionalidad.
Los autores concluyen que se demostró el potecial de la herramienta de alta resolución para encontrar la composición temporal de las comunidades microbianas del intestino, asi como que los cambios en las abundancias de algunas cepas importantes en el microbioma están relacionados con las abundancias de sus fagos.
Alan Heres Rojas
ReplyDeleteLa vasta mayoría de la microbiota humana reside en el tracto gastrointestinal y los genomas de estos microorganismos codifican aproximadamente 3 millones de genes únicos, muchos más (dos órdenes de magnitud mayor) que los genes encontrados en nuestro genoma. Se han reportado más de 1000 especies distintas en el intestino representados por 9 filums y cerca de 150 especies dominantes. Existen varios factores que influyen en los cambios en cuanto a la estructura de la comunidad microbiana, por ejemplo, la disponibilidad de nutrientes, el consumo de antibióticos o probióticos, los componentes genéticos propios de cada individuo (por ejemplo, grupo étnico), florecimientos de fagos y la presencia de patógenos oportunistas, tipo de nacimiento (Cesárea o parto natural), etc., etc.
La mayoría de estos factores son cruciales para la determinación de la colonización microbiana inicial en el intestino de los infantes, y generalmente la estructura inicial de la comunidad consiste de pocas especies dominantes. En este sentido, diversos estudios sugieren que las diferencias funcionales están asociadas con la variación a nivel de especie y/o cepa. Por tal motivo la mayoría de los estudios actuales se enfocan en entender mejor estas variaciones para saber más acerca de las dinámicas de las comunidades microbianas. Para ello, se han estado desarrollando técnicas moleculares (por ejemplo, la metagenómica) más robustas que nos provean de mayor información acerca del papel de cada miembro que compone a la comunidad microbiana.
En el 2011, Morowitz et al., uso datos metagenómicos para generar una descripción más detallada de la comunidad microbiana durante la colonización del tracto digestivo. Para ello uso 245 Mbp de datos obtenidos a partir de una técnica de secuenciación denominada; pirosecuenciación, bajo esta técnica fue posible reconstruir, de novo, los genomas de especies de los géneros Serratia y Citrobacter y ciertas secuencias tipificadas como plásmidos y bacteriófagos, el estudio revelo 2 cepas de Citrobacter a partir de las diferentes características genotípicas, lo cual podría explicar las fluctuaciones sobre el tiempo de este grupo en particular, sin embargo, este estudio no fue capaz de revelar los organismos menos abundantes los cuales se ha observado tienen importante papel para el funcionamiento de toda la comunidad.
Este artículo publicado en el 2012 propone el uso de otra técnica de secuenciación la cual ofrece una mayor cobertura en la secuenciación facilitando una mayor comprensión de las fuerzas que determina la estructura de nuestra comunidad bacteriana. También es posible hacer estudios de series de tiempo (sucesión) con una mayor cobertura de muestreo, además, facilita la caracterización de los miembros considerados como raros (biosfera rara; de abundancia relativa baja), ofreciendo un estudio mas profundo de la dinámica de la comunidad microbiana. Esta técnica de secuenciación tiene la ventaja de que se puede implementar nuevos métodos de ensamblaje, así como métodos para hurgar en los datos que generalmente son considerados como basura donde en la mayoría de las ocasiones se encuentran las especies raras. Para ello se llevó a cabo un estudio longitudinal (serie de tiempo) de la microbiota intestinal (de 11 muestras de heces) asociada a un recién nacido prematuro. Mediante la técnica de secuenciación y métodos de análisis antes comentados fueron capaces de asignar un 96% de sus secuencias a nivel de cepa, 6 genomas “esencialmente completos” (~99%) y dos “casi completos” fueron obtenidos los cuales comprendían el 1% de la comunidad, también se obtuvieron 9 genomas parciales los cuales representan el 0.05% de la abundancia en la comunidad bacteriana. Por otro lado se obtuvieron tres genomas virales completos los cuales fueron asignados a sus hospederos respectivos. Los datos de genes metabólicos entre otros de interés ayudaron a inferir acerca de las dinámicas a través del tiempo de la estructuración (sucesión) de la comunidad.