Проект человеческого микробиома - Human Microbiome Project

Проект человеческого микробиома (HMP)
Проект "Микробиом человека" logo.jpg
Владелец США Национальный институт здоровья
Учредил 2007 г. ( 2007 )
Отключен 2016 г. ( 2016 )
Веб-сайт hmpdacc .org

Проект « Микробиом человека» ( HMP ) был исследовательской инициативой Национального института здоровья США (NIH), направленной на улучшение понимания микробной флоры, влияющей на здоровье и болезни человека. Начатая в 2007 году, первая фаза (HMP1) была направлена ​​на выявление и описание микробной флоры человека. Вторая фаза, известная как Проект интегративного микробиома человека (iHMP), была запущена в 2014 году с целью генерирования ресурсов для характеристики микробиома и выяснения роли микробов в состоянии здоровья и болезненных состояниях. Программа получила финансирование в размере 170 миллионов долларов от Общего фонда NIH с 2007 по 2016 год.

Важными компонентами HMP были независимые от культуры методы характеристики микробного сообщества , такие как метагеномика (которая обеспечивает широкую генетическую перспективу для отдельного микробного сообщества), а также обширное секвенирование всего генома (которое обеспечивает «глубокую» генетическую перспективу для определенных аспекты данного микробного сообщества, т.е. отдельных видов бактерий). Последние служили эталонными геномными последовательностями - в настоящее время планируется 3000 таких последовательностей отдельных бактериальных изолятов - для целей сравнения во время последующего метагеномного анализа. Проект также профинансировал глубокое секвенирование бактериальных последовательностей 16S рРНК , амплифицированных с помощью полимеразной цепной реакции от людей.

Вступление

Изображение распространенности различных классов бактерий на выбранных участках кожи человека.

До запуска HMP в популярных средствах массовой информации и в научной литературе часто сообщалось, что в человеческом теле примерно в 10 раз больше микробных клеток и в 100 раз больше микробных генов, чем человеческих клеток; эта цифра была основана на оценках того, что микробиом человека включает около 100 триллионов бактериальных клеток, а у взрослого человека обычно около 10 триллионов человеческих клеток. В 2014 году Американская академия микробиологии опубликовала FAQ, в котором подчеркивалось, что количество микробных клеток и количество клеток человека являются оценочными, и отмечалось, что недавние исследования пришли к новой оценке количества клеток человека, составляющей около 37 триллионов клеток. , что означает, что соотношение микробных и человеческих клеток, вероятно, составляет около 3: 1. В 2016 году другая группа опубликовала новую оценку соотношения примерно 1: 1 (1,3: 1, с «неопределенностью 25% и вариацией 53% по популяции стандартных самцов 70 кг»).

Несмотря на ошеломляющее количество микробов внутри и на теле человека, мало что было известно об их роли в здоровье человека и болезнях. Многие организмы, составляющие микробиом, не были успешно культивированы , идентифицированы или иным образом охарактеризованы. Однако организмы, которые, как считается, находятся в микробиоме человека, обычно можно разделить на бактерии , члены домена архей , дрожжи и одноклеточные эукариоты, а также различные паразиты и вирусы гельминтов , последние включают вирусы, которые инфицируют организмы клеточного микробиома. (например, бактериофаги ). HMP ставил своей целью выявить и охарактеризовать микробиом человека, уделяя особое внимание участкам полости рта, кожи, влагалища, желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей.

HMP будет решать некоторые из самых вдохновляющих, неприятных и фундаментальных научных вопросов сегодня. Важно отметить, что он также может разрушить искусственные барьеры между медицинской микробиологией и микробиологией окружающей среды. Есть надежда, что HMP не только определит новые способы определения состояния здоровья и предрасположенности к заболеваниям, но также определит параметры, необходимые для разработки, реализации и мониторинга стратегий преднамеренного манипулирования микробиотой человека, чтобы оптимизировать ее работу в контексте физиологии человека. .

HMP был описан как «логическое концептуальное и экспериментальное продолжение проекта« Геном человека » ». В 2007 году HMP был включен в Дорожную карту медицинских исследований NIH как один из новых путей к открытиям . Организованная характеристика микробиома человека также проводится на международном уровне под эгидой Международного консорциума микробиома человека. Canadian институты исследований в области здравоохранения , через CIHR Института инфекции и иммунитете, ведет микробиомом инициативу канадского разработать скоординированную и целенаправленную научно - исследовательскую работу по анализу и характеризации микробы , которые колонизировать человеческое тело и их потенциальное изменение во время хронических болезненных состояний.

Учреждения-спонсоры

В HMP приняли участие многие исследовательские институты, включая Стэнфордский университет , Институт Броуда , Университет Содружества Вирджинии , Вашингтонский университет , Северо-Восточный университет , Массачусетский технологический институт , Медицинский колледж Бейлора и многие другие . Вклады включали оценку данных, построение наборов данных эталонной последовательности, этические и юридические исследования, разработку технологий и многое другое.

Первый этап (2007-2014 гг.)

HMP1 включал в себя исследовательские работы многих организаций. HMP1 поставил следующие цели:

  • Разработать эталонный набор последовательностей микробного генома и выполнить предварительную характеристику микробиома человека.
  • Изучите взаимосвязь между болезнью и изменениями в микробиоме человека.
  • Разрабатывать новые технологии и инструменты для вычислительного анализа
  • Создать репозиторий ресурсов
  • Изучите этические, правовые и социальные последствия исследования микробиома человека.

Второй этап (2014-2016)

В 2014 году NIH запустил вторую фазу проекта, известную как Проект интегративного микробиома человека (iHMP). Целью iHMP было создание ресурсов для создания полной характеристики микробиома человека с акцентом на понимание присутствия микробиоты в состояниях здоровья и болезней. Миссия проекта, как заявили NIH, заключалась в следующем:

В рамках iHMP будут созданы интегрированные продольные наборы данных биологических свойств как микробиома, так и хозяина из трех различных когортных исследований связанных с микробиомом состояний с использованием нескольких технологий «омики».

Проект включал в себя три подпроекта, реализованных в нескольких учреждениях. Методы исследования включали 16S рРНК генов профилирование, весь метагеном дробовик последовательность , все секвенирование генома , metatranscriptomics , метаболомику / lipidomics и immunoproteomics . Основные выводы iHMP были опубликованы в 2019 году.

Беременность и преждевременные роды

Команда Консорциума вагинального микробиома в Университете Содружества Вирджинии провела исследование проекта «Беременность и преждевременные роды» с целью понять, как микробиом изменяется во время гестационного периода и влияет на микробиом новорожденного. Проект также касался роли микробиома в возникновении преждевременных родов, которые, по данным CDC , составляют почти 10% всех родов и составляют вторую ведущую причину неонатальной смерти. Проект получил финансирование NIH в размере 7,44 миллиона долларов.

Начало воспалительного заболевания кишечника (ВЗК)

Команда Multi'omics Data по воспалительному заболеванию кишечника (IBDMDB) была многопрофильной группой исследователей, сосредоточенных на понимании того, как в долгосрочном плане изменяется микробиом кишечника у взрослых и детей, страдающих ВЗК . ВЗК - это воспалительное аутоиммунное заболевание, которое проявляется либо как болезнь Крона, либо как язвенный колит, и поражает около миллиона американцев. Участники исследования включали когорты из Массачусетской больницы общего профиля , больницы Университета Эмори / детской больницы Цинциннати и Медицинского центра Сидарс-Синай .

Начало диабета 2 типа (СД2)

Исследователи из Стэнфордского университета и Лаборатории геномной медицины Джексона работали вместе, чтобы провести продольный анализ биологических процессов, происходящих в микробиоме пациентов с риском диабета 2 типа . СД2 поражает почти 20 миллионов американцев, по крайней мере, 79 миллионов пациентов с преддиабетом, и частично характеризуется заметными сдвигами в микробиоме по сравнению со здоровыми людьми. Целью проекта было выявить молекулы и сигнальные пути, которые играют роль в этиологии заболевания.

Достижения

Влияние HMP на сегодняшний день может быть частично оценено путем изучения исследований, спонсируемых HMP. С июня 2009 г. по конец 2017 г. на веб-сайте HMP было размещено более 650 рецензируемых публикаций, которые были процитированы более 70 000 раз. На данный момент веб-сайт был заархивирован и больше не обновляется, хотя наборы данных по-прежнему доступны.

Основные категории работ, финансируемых HMP, включали:

  • Разработка новых систем баз данных, обеспечивающих эффективную организацию, хранение, доступ, поиск и аннотирование огромных объемов данных. К ним относятся IMG, интегрированная база данных микробных геномов и система сравнительного анализа; IMG / M, родственная система, которая объединяет наборы данных метагенома с изолированными геномами микробов из системы IMG; CharProtDB , база данных экспериментально охарактеризованных аннотаций белков; и база данных Genomes OnLine (GOLD) для мониторинга состояния геномных и метагеномных проектов во всем мире и связанных с ними метаданных.
  • Разработка инструментов для сравнительного анализа, которые облегчают распознавание общих закономерностей, основных тем и тенденций в сложных наборах данных. К ним относятся RAPSearch2, быстрый и эффективный с точки зрения памяти инструмент поиска сходства белков для данных секвенирования следующего поколения; Boulder ALignment Editor (ALE), веб-инструмент для выравнивания РНК; WebMGA, настраиваемый веб-сервер для быстрого анализа метагеномной последовательности; и DNACLUST, инструмент для точной и эффективной кластеризации генов филогенетических маркеров.
  • Разработка новых методов и систем для сборки массивных наборов данных последовательностей. Нет единого алгоритма сборки, решающего все известные проблемы сборки коротких последовательностей, поэтому программы сборки следующего поколения, такие как AMOS, являются модульными и предлагают широкий набор инструментов для сборки. Новые алгоритмы были разработаны для улучшения качества и полезности черновых последовательностей генома.
  • Сборка каталога секвенированных эталонных геномов чистых бактериальных штаммов из нескольких участков тела, с которыми можно сравнивать метагеномные результаты. Первоначальная цель - 600 геномов - далеко превзойдена; в настоящее время цель состоит в том, чтобы в этот справочный каталог было включено 3000 геномов, секвенированных, по крайней мере, до стадии высококачественного черновика. По состоянию на март 2012 г. каталогизировано 742 генома.
  • Создание Центра анализа и координации данных (DACC), который служит центральным хранилищем всех данных HMP.
  • Различные исследования, изучающие правовые и этические вопросы, связанные с исследованиями секвенирования всего генома.

Разработки, финансируемые HMP, включали:

  • Новые методы прогнозирования для выявления активных сайтов связывания факторов транскрипции.
  • Идентификация на основе биоинформатических данных широко распространенного предшественника электронного носителя, продуцируемого рибосомами.
  • Покадровые "движущиеся картинки" микробиома человека.
  • Идентификация уникальных адаптаций, принятых сегментированными нитчатыми бактериями (SFB) в их роли кишечных комменсалов. SFB важны с медицинской точки зрения, потому что они стимулируют Т-хелперные клетки 17, которые , как считается, играют ключевую роль в аутоиммунных заболеваниях .
  • Выявление факторов, различающих микробиоту здорового и больного кишечника.
  • Выявление до сих пор не признанной доминирующей роли Verrucomicrobia в сообществах почвенных бактерий.
  • Выявление факторов, определяющих потенциал вирулентности штаммов Gardnerella vaginalis при вагинозе .
  • Выявление связи между микробиотой полости рта и атеросклерозом.
  • Демонстрация того, что патогенные виды Neisseria, участвующие в менингите , сепсисе и венерических заболеваниях, обмениваются факторами вирулентности с комменсальными видами.

Вехи

Создана справочная база данных

13 июня 2012 года директор NIH Фрэнсис Коллинз объявил о важной вехе HMP . Объявление сопровождалось серией скоординированных статей, опубликованных в тот же день в Nature и нескольких журналах, включая Public Library of Science (PLoS). Картируя нормальный микробный состав здоровых людей с помощью методов секвенирования генома, исследователи HMP создали справочную базу данных и границы нормальных микробных вариаций у людей.

У 242 здоровых добровольцев из США было собрано более 5000 образцов тканей с 15 (мужчин) до 18 (женщин) участков тела, таких как рот, нос, кожа, нижняя часть кишечника (стул) и влагалище. Вся ДНК, человеческая и микробная, была проанализирована с помощью машин для секвенирования ДНК. Данные микробного генома были извлечены путем идентификации специфической для бактерий рибосомной РНК, 16S рРНК . Исследователи подсчитали, что более 10 000 видов микробов населяют экосистему человека, и идентифицировали от 81 до 99% родов . Помимо создания справочной базы данных микробиома человека, проект HMP также обнаружил несколько «сюрпризов», в том числе:

  • Микробы вносят больше генов, ответственных за выживание человека, чем собственных генов человека. Подсчитано, что бактериальные гены, кодирующие белок, в 360 раз более распространены, чем человеческие гены.
  • Микробная метаболическая активность; например, переваривание жиров; не всегда обеспечиваются одними и теми же видами бактерий. Наличие занятий, кажется, имеет большее значение.
  • Компоненты микробиома человека со временем меняются в зависимости от болезненного состояния пациента и принимаемых лекарств. Однако микробиом в конечном итоге возвращается в состояние равновесия, даже несмотря на то, что состав бактерий изменился.

Клиническое применение

Среди первых клинических применений, использующих данные HMP, как сообщалось в нескольких статьях PLoS, исследователи обнаружили сдвиг в сторону меньшего видового разнообразия в микробиоме влагалища беременных женщин, готовящихся к родам, и высокую вирусную нагрузку ДНК в микробиоме носа у детей с необъяснимым диагнозом. лихорадка. Другие исследования с использованием данных и методов HMP включают роль микробиома в различных заболеваниях пищеварительного тракта, кожи, репродуктивных органов и детских расстройствах.

Фармацевтическое применение

Фармацевтические микробиологи рассмотрели значение данных HMP в отношении наличия / отсутствия «нежелательных» микроорганизмов в нестерильных фармацевтических продуктах и ​​в отношении мониторинга микроорганизмов в контролируемой среде, в которой продукты производятся. Последнее также имеет значение для выбора среды и исследований эффективности дезинфицирующих средств.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки