Mikrobiom, az immunrendszer iskolája
Falus András
Szimbionta mikrobák
A magasabbrendű szervezet, mint komplex ökoszisztéma- metagenomika
„Ember-eredetű” sejt (~1014): 80-100 x több mikrobiális sejt (~1016) ??
Emberben 23-25.000 gén Mikrobiális gén: 8,000,000
80 000 bac faj emberben metagenom : 350x „core” human genom
Qin et al, Nature March 2010
Korábbi metodikai korlát megszűnt • • • •
A baktériumok 90%-a nem tenyészthető Új generációs szekvenálás 16S rRNS alapján adatbázisok-filogenetikai törzsfa Operational Taxonomic Units (OTU)
Specifikus bakteriális hálózatok; pozitív és negatív korrelációk
main genera others next to main genera
+ve -ve
correlation
Honnan származik a mikrobiom?
A mikrobiális összetétel lokalizáció függő
Dorit RL. American Scientist. 2014 Sept-Oct 102;5,330.
Bélmikrobiom (törzsek) változása idő és Firmicutes: noxa hatására streptococcus,
Proteobacteria: pseudomonas, enterobacteriaceae
16S rRNS meghatározás metagenomika
staphylococcus, enterococcus, clostridium
Noora Ottman et al.Front Cell Infect Microbiol. 2012; 2: 104.
SCFA: short chain fatty acids
Bél mikrobiom • Nagyon instabil, folyamatos változás • E. coli: 20-30 % genetikai eltérés E.coli-k között (humáncsimpánz között : < 1 %
Teljes parenterális táplálás asszociált dysbacteriosis és gyulladás Nyálkahártya-asszociált mikrobióták
Eiichi A. Miyasaka et al. J Immunol. 2013 June 15; 190(12): 6607–6615.
Bőr-mikrobiom
Three dermal microenvironments
(A) sebaceous, (B) humid, (C) dry areas
Most frequent bacterial groups:
1, Actinobacteria 2, Firmicutes 3, Proteobacteria 4, Bacteroidetes
Includes bacteriophages Individual (similarities in twins and mother-child pairs) Very stabile (< 5% change/year) Many antibiotics resistance genes
Vírusok-virom
Hepatitis B, mint szimbionta vírus? Michelle Hong és munkatársai: A hepatitis B vírus mint szimbionta 2015. március 31. Nature Communications-ben megjelent tanulmány szerzői: ha a magzat hepatitis B vírus fertőzésnek van kitéve, immunrendszere jobban fejlődik, aminek következtében a csecsemő jobban ellen tud állni a bakteriális fertőzéseknek. : Trained immunity in newborn infants of HBV-infected mothers A HBV-expozíciónak kitett újszülöttek szervezetében kialakuló citokinkörnyezet vezet a Th1-sejtek és az immunrendszer éréséhez, az immunsejtek epigenetikusan mediált újraprogramozása következik be, (hasonló: egér és a perzisztensen fennáló Herpes simplex vírus infekció esetén (Barton, E. S. et al.)
A mikrobiom funkciói • Funkció – Metabolikus • Lebontás, erjesztés, felszívódás • SCFA , vitaminok (B, K) szintézise
– Immun • Az immunrendszer érése • Allergiák kivédése – C.diff, Staph.aureus>Bacteroides, Bifidobacteria
• A pathogen mikrobiális flóra visszaszorítása
– Neuroaktív: bél-agy tengely • Stresszre adott válasz, idegrendszeri fejlődési zavarok
– Endocannabinoid rendszer » obezitás – -................
???????? Peterson CT et al. Clin Exp Immunol. 2015 Mar;179(3):363-77.
MICROBIOME AND IMMUNE REGULATORY NETWORKS
Segmented filamentous bacs are proiflammatory
Stuart et al Nature Immunol. 2013
A lokális és szisztémás mikrobiom által befolyásolt klinikai állapotok: -- gastroenterológiai kórképek (Crohn, UC) -- a dohányzással kapcsolatos tüdőbetegségek (TGFb, IL-6, IL-13) -- obesitás (adipokinek) -- neurológiai és pszichiátriai CNS funkciók (serotonin) (pl. depresszió) -- carcinogenesis (SCFA, epesavak) -- sepsis, lokális gyulladások (pl. gingivitis) -- diabetes (I.,II.) -- rheumatoid arthritis -- atopiás dermatitis
Metagenomic map in IBDs d = 0.1
d=5
Eubacterium.bif orme Prev otella.copri
Bacteroides.f ragilis.3_1_12 Clostridium.sp..7_2_43FAA Collinsella.aerof aciens Anaerococcus.hy Bacteroides.pectinophilus drogenalis Eubacterium.siraeum.70.3 acillus.delbrueckii.subsp..bulgaricus.ATCC.11842 Megamonas.hy Faecalibacterium.prausnitzii.SL3.3 Bif idobacterium.gallicum permegale.ART12.1 Clostridium.perf ringens.ATCC.13124 Lactobacillus.sakei.subsp..sakei.23K Thermoanaerobacter.sp..X514 Proteus.mirabilis.HI4320 Collinsella.intestinalis Enterococcus.f aecalis.TX0104 Helicobacter.pullorum.MIT.98.5489 Collinsella.stercoris Bif Lactobacillus.gasseri.ATCC.33323 idobacterium.animalis.subsp..lactis.AD011 Blautia.hy drogenotrophica Lactobacillus.saliv arius.ATCC.11741 Citrobacter.koseri.ATCC.BAA.895 Lactobacillus.acidophilus.NCFM Bif idobacterium.dentium cterium.nucleatum.subsp..nucleatum.ATCC.25586 Enterobacter.sp..638 BifMitsuokella.multacida idobacterium.angulatum Enterobacter.cancerogenus Clostridium.nexile Enterobacter.sakazakii.ATCC.BAA.894 Bif idobacterium.bif Lactobacillus.casei.BL23 idum.NCIMB.41171 Pseudomonas.aeruginosa.LESB58 Finegoldia.magna.ATCC.29328 Subdoligranulum.v ariabile Ruminococcus.bromii.L2.63 Eubacterium.rectale.M104.1 Streptococcus.gordonii.str..Challis.substr..CH1 Haemophilus.parasuis.SH0165 Clostridium.methy lpentosum m.mitsuokai inobacillus.pleuropneumoniae.serov ar.7.str..AP76 Candidatus.Sulcia.muelleri.GWSS Clostridium.dif f icile.630 Bif idobacterium.adolescentis Coprococcus.eutactus Bacteroides.fPasteurella.multocida.subsp..multocida.str..Pm70 inegoldii um.ramosum Bacteriodes.xy lanisolv ens.XB1A delberg.str..SL476 Roseburia.intestinalis.M50.1 um.sp.M62.1 Buty riv ibrio.f ibrisolv ens.16.4 Bacteroides.coprocola Clostridium.sp.L2.50 Bacteroides.capillosus Ruminococcus.obeum.A2.162 ger.ATCC29098 Coprococcus.comes.SL7.1 Citrobacter.sp Parabacteroides.merdae Campy lobacter.concisus.13826 ides.ov Bacteroides.caccae 57.H7.str..EC4115 .penneriatus BifLactobacillus.hilgardii.ATCC.8290 idobacterium.longum.subsp..inf antis.CCUG.52486 Streptococcus.sanguinis.SK36 Bacteroides.unif ormis cterium.D7 Bacteroides.sp..D1 .9_1_42FAA cteroides.sp..D4 Escherichia.f ergusonii.ATCC.35469 Methanobrev ibacter.smithii.DSM2375 Lactobacillus.f ermentum.IFO.3956 Bif idobacterium.brev e Actinomy ces.odontoly ticus unknown.sp.SS3.4 Lactobacillus.ultunensis.DSM.16047 tercoris Lactobacillus.helv eticus.DPC.4571 eptococcus.pneumoniae.Hungary 19A.6 Streptococcus.suis.05ZY Bacteroides.sp..2_2_4 H33 Gordonibacter.pamelaeae.gen.nov .sp.Nov s.MGAS10750 Bif idobacterium.catenulatum Lactobacillus.reuteri.SD2112 Bacteroides.coprophilus Leuconostoc.mesenteroides.subsp..mesenteroides.ATCC.8293 Methanosphaera.stadtmanae.DSM.3091 Dorea.f ormicigenerans Streptococcus.mutans.UA159 Parabacteroides.distasonis.ATCC.8503 86.028NP Streptococcus.thermophilus.LMD.9 Ruminococcus.lactaris mbiosum C.33277 Ruminococcus.torques.L2.14 Bry antella.f Klebsiella.pneumoniae.342 Bacteroides.plebeius Bacteroides.eggerthii Enterococcus.sp.7L76 Clostridium.spirof orme ormatexigens Clostridium.bartlettii TCC.25745 Bacteroides.v ulgatus.ATCC.8482 Lactobacillus.paracasei.subsp..paracasei.ATCC.25302 Lactobacillus.johnsonii.NCC.533 Trophery Buty ma.whipplei.str..Twist riv ibrio.crossotus Clostridium.scindens hy lococcus.saprophy ticus.subsp..saprophy ticus.ATCC.15305 DesulfClostridium.leptum ov ibrio.v ulgaris.str...Miy azaki.F. Eubacterium.v entriosum sp..2_1_7 Anaerotruncus.colihominis TX1332 .bolteae Citrobacter.sp..30_2 Alistipes.putredinis Anaerof ustis.stercorihominis Holdemania.f ilif ormis Dorea.longicatena arius Bacteroides.sp..4_3_47FAA Clostridium.asparagif orme Bacteroides.intestinalis Clostridium.phy tof ermentans.ISDg Campy lobacter.hominis.ATCC.BAA.381 Eubacterium.hallii m Clostridium.sp.SS2.1 Bif idobacterium.pseudocatenulatum Bacteroides.dorei .thetaiotaomicron.VPI.5482 Parabacteroides.johnsonii Bacteroides.cellulosily Akkermansia.muciniphila.ATCC.BAA.835 ticus e Clostridium.hy lemonae ctis.subsp..cremoris.MG1363 Ruminococcus.sp.SR1.5 ia.hansenii
UC Patients p-value: 0.031
Y :UC
Crohn Patients
Healthy Controls
nonical weights
N:N Eubacterium.bif orme Prev otella.copri
Y :CD Bacteroides.f ragilis.3_1_12 Clostridium.sp..7_2_43FAA Collinsella.aerof aciens Anaerococcus.hy Bacteroides.pectinophilus drogenalis acillus.delbrueckii.subsp..bulgaricus.ATCC.11842 Megamonas.hy Bif idobacterium.gallicum permegale.ART12.1 Clostridium.perf Faecalibacterium.prausnitzii.SL3.3 ringens.ATCC.13124 Lactobacillus.sakei.subsp..sakei.23K Thermoanaerobacter.sp..X514 Proteus.mirabilis.HI4320 Collinsella.intestinalis Eubacterium.siraeum.70.3 Helicobacter.pullorum.MIT.98.5489 Enterococcus.f aecalis.TX0104 Bif Lactobacillus.gasseri.ATCC.33323 idobacterium.animalis.subsp..lactis.AD011 Blautia.hy Collinsella.stercoris drogenotrophica Lactobacillus.saliv arius.ATCC.11741 Citrobacter.koseri.ATCC.BAA.895 Lactobacillus.acidophilus.NCFM Bif idobacterium.dentium cterium.nucleatum.subsp..nucleatum.ATCC.25586 Enterobacter.sp..638 BifMitsuokella.multacida idobacterium.angulatum Enterobacter.cancerogenus Enterobacter.sakazakii.ATCC.BAA.894 Bif idobacterium.bif Lactobacillus.casei.BL23 idum.NCIMB.41171 Finegoldia.magna.ATCC.29328 Pseudomonas.aeruginosa.LESB58 ostridium.nexile Subdoligranulum.v ariabile Ruminococcus.bromii.L2.63 Streptococcus.gordonii.str..Challis.substr..CH1 Clostridium.methy lpentosum Eubacterium.rectale.M104.1 inobacillus.pleuropneumoniae.serov ar.7.str..AP76 m.mitsuokai Haemophilus.parasuis.SH0165 Candidatus.Sulcia.muelleri.GWSS Bif idobacterium.adolescentis Coprococcus.eutactus Bacteriodes.xy lanisolv ens.XB1A um.ramosum delberg.str..SL476 tridium.dif f icile.630 Pasteurella.multocida.subsp..multocida.str..Pm70 Roseburia.intestinalis.M50.1 um.sp.M62.1 Bacteroides.coprocola Buty riv ibrio.f ibrisolv ens.16.4 Bacteroides.capillosus Clostridium.sp.L2.50 ger.ATCC29098 Bacteroides.f Ruminococcus.obeum.A2.162 inegoldii Coprococcus.comes.SL7.1 Citrobacter.sp Campy Parabacteroides.merdae lobacter.concisus.13826 Lactobacillus.hilgardii.ATCC.8290 ides.ov Bacteroides.caccae .penneriatus Bif idobacterium.longum.subsp..inf antis.CCUG.52486 57.H7.str..EC4115 Streptococcus.sanguinis.SK36 cterium.D7 Bacteroides.unif Bacteroides.sp..D1 ormis .9_1_42FAA cteroides.sp..D4 eroides.sp..2_2_4 ae.Hungary us.suis.05ZY 19A.6 H33 Methanobrev ibacter.smithii.DSM2375 Escherichia.f ergusonii.ATCC.35469 Lactobacillus.f ermentum.IFO.3956 Bif idobacterium.brev Actinomy ces.odontoly e ticus Lactobacillus.ultunensis.DSM.16047 tercorisBif idobacterium.catenulatum unknown.sp.SS3.4 Lactobacillus.helv eticus.DPC.4571 Gordonibacter.pamelaeae.gen.nov .sp.Nov s.MGAS10750 Lactobacillus.reuteri.SD2112 Leuconostoc.mesenteroides.subsp..mesenteroides.ATCC.8293 Bacteroides.coprophilus Dorea.f ormicigenerans Bacteroides.plebeius Methanosphaera.stadtmanae.DSM.3091 Streptococcus.mutans.UA159 Parabacteroides.distasonis.ATCC.8503 Streptococcus.thermophilus.LMD.9 C.33277 86.028NP Ruminococcus.lactaris Ruminococcus.torques.L2.14 Bry antella.f ormatexigens mbiosum Lactobacillus.paracasei.subsp..paracasei.ATCC.25302 Trophery Buty Clostridium.spirof rivlococcus.saprophy ibrio.crossotus ma.whipplei.str..Twist orme ticus.subsp..saprophy ticus.ATCC.15305 Klebsiella.pneumoniae.342 Bacteroides.eggerthii Lactobacillus.johnsonii.NCC.533 TCC.25745 Enterococcus.sp.7L76 Clostridium.scindens Staphy Clostridium.bartlettii Bacteroides.v ulgatus.ATCC.8482 Clostridium.leptum Eubacterium.v entriosum sp..2_1_7 Desulf ov ibrio.v ulgaris.str...Miy azaki.F. Dorea.longicatena Anaerotruncus.colihominis TX1332 .bolteae Citrobacter.sp..30_2 Alistipes.putredinis Anaeroflobacter.hominis.ATCC.BAA.381 ustis.stercorihominis Holdemania.f ilif ormis Campy arius Eubacterium.hallii Bacteroides.sp..4_3_47FAA orme Clostridium.phy tof ermentans.ISDg Bacteroides.intestinalis m PI.5482 BifClostridium.asparagif Akkermansia.muciniphila.ATCC.BAA.835 Clostridium.sp.SS2.1 idobacterium.pseudocatenulatum Bacteroides.dorei Parabacteroides.johnsonii Bacteroides.cellulosily ticus MG1363 e Clostridium.hy lemonae Ruminococcus.sp.SR1.5 nii
ables
Scores and classes d=2
Eigenvalues
Qin et al, Nature March 2010 Y :UC
IBD is driven by T cells mucosal homeostasis cytokine production by regulatory (TReg) T cells supresses pro-inflammatory responses TH1, TH2, TH17
TReg
mucosal inflammation increased production of pro-inflammatory cytokines by T helper (TH) cells TNF, IFNγ, IL-17 TReg transfer can prevent the induction of experimental colitis
adapted from Bouma and Strober, Nat rev Immunol., 2003 and Vignali et al., Nat rev Immunol., 2008
Dohányzás és krónikus tüdőbetegségek miscolonization
miscolonization
Cox, L. M. & Blaser, M. J. (2014) Antibiotics in early life and obesity Nat. Rev. Endocrinol. doi:10.1038/nrendo.2014.210
Mikrobiom kutatás egypetéjű ikrekben -- kimutatható egy számottevő közös “core” mikrobiota, de az ikrek között számottevő eltérések figyelhetők meg. Ha az ikerpárok egyik tagja elhízott, esetében a mikrobiota diverzitása csökkent sovány ikertestvéréhez képest (Turnbaugh és mtsai, 2011). -- A metabolikus állapot meghatározó szerepére utalnak (Ridaura és mtsai, 2013) közös ketrecben tartott egerekben végzett széklet-transzplantációs kísérletek is. -- Nemrég egypetéjű ikrekben kimutatták (Goodrich és mtsai, 2014), hogy egy újonnan felfedezett, elsősorban az alacsony BMI-vel jellemezhető sovány személyekben kimutatható baktérium faj (Christensenellaceae), kolonizációja szignifikáns genetikai kötődést mutat. Ismert, hogy a mikrobiomban jellegzetes baktérium társulások fordulnak elő, egy ilyen genetikailag befolyásolt hálózat középpontjában áll a Christensenellaceae faj. Ez az eredmény felveti annak lehetőségét, hogy a genetikai meghatározottság nem egyformán érvényes a mikrobiom minden mikróbájára. Ugyanez a munkacsoport Tim Spector vezetésével az angliai ikerregisztert felhasználva 543 ikerpár DNS-éből SNP analízissel számos a mikrobiomra ható, immunválaszban kritikus jelentőségű sejtben expresszálódó gént (pl. Treg-ENTPD1, ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolase 1) vizsgáltak. Ezek a genetikai variánsok szignifikánsan asszociálódtak a ruminococcusok szintjével (baktériumok SCFA (rövidláncú zsírsavak) butirát termékei hatnak a Treg sejtekre) -- Érdekes és gondolatébresztő az az eredmény is, amely egy- és kétpetéjű ikrekben a mikrobiom összetétel eltérő genetikai kapcsolódását mutatta ki.
A súlyos obezitás hátterében dysbiosis? n=277
Low
Obese people differ by gut bacterial gene counts, species and enterotypes
High
Ok vagy okozat?
Központi idegrendszer ès a mikrobiom
It has long been known that the colonization of gut flora is related to the stress response of the hosts, changing their states of anxiety and exploratory behavior.
Microbiom és a colorectalis carcinoma (CRC)
SEPSIS A bél flóra törzs szintű taxonomiai összetétel változása kritikus betegekben (metagenomikai analízis) • A Bacteroidetes/Firmicutes (B/F) arány összefügg a kimenetellel • A túlélők közt egynél sem volt a B/F arány >10 vagy < 0.1. • Diverzitás csökken • Pathogén törzsek szaporodnak
Ojima M, et al. Dig Dis Sci. 2015 Dec 29.
INSULIN FÜGGŐ (TYPE 1) DIABETES Non-obese diabetic (NOD) egér modell (type 1 diabetes,T1D)
Commensalis baktériumok hímekben emelik az androgén hormon szintet, Hímekben védelem T1D ellen; Hímek bél mikrobiomja nőstényekben csökkenti a T1D-t Germ-free (steril) hímek mikrobiomja nem működik; Androgén receptor antagonistákkal a védelem felfüggeszthető
Nature,Science, 2013-2014
Rheumatoid arthritis
Prevotella dominancia a kezeletlen arthritis-ben
Prevotella
Bacteroides
Mikrobiom és allergia Periodic changes in gut microbiota in allergic patients during the pollen season Probiotic bacterial culture was beneficial in preventing the symptoms
miR-155
atopic dermatitis Staphylococcal superantigen
Elevated T cell proliferation by miRNA155 inhibiting CTLA-4
DISTURBED MICROBIOME BALANCE
Sonkoly et al., J All Clin Immunol, 2010
Communicating microbiomes quorum sensing
**
*
* i.e. N butyril-homoserine lacton, Br-furanon,e N 3-oxo-dodecanoil-HL, etc. metabolites
Horizontal gene transfer can produce organisms effectively belonging to several species at once. Each circle represents an individual genome with the arrows representing the transfer of genetic material. The all-blue, all-gold and red/green circles represent genomes from three different bacterial groups that might be designated species
Van-e közvetlen horizontális géntranszfer ?
?
Fejérjekódolás
Az emberi genom 99%-a „szemét”?
A (emberi) genom misztériuma Mobilis, „ugráló” elemek?
ismétlődő szakaszok
The Life-Cycle of Transposons (evolúciós modell) Horizontal transfer of an active element
Increase in copy number
Germline invasion Spread in population
Species A
Further horizontal transfer Species B
Vertical inactivation Most transposons in eukaryotes are at this stage of the cycle Further horizontal transfer
Point mutations Functional diversification
Species C
Izsvák Zsuzsa ábrája Hartl et al. (1997). Trends Genet.
Mikrobiom és a “globalizáció” Clement és mtársai :"The microbiome of uncontacted Amerindians." Science Advances 1, no. 3 (2015): e1500183. A venezuelai Yanomami bennszülött indián törzset vizsgáltak, akik a nyugati civilizációtól elzárva félnomád, vadászó-gyűjtögető életmódot folytatnak. A törzs az Amazonas-menti őserdő rezervátumában él, tagjai korábban semmilyen dokumentált gyógyszerkészítményt vagy szintetikus antibiotikum kezelést nem kaptak, így egyedülálló módon képviselik a pre-antibiotikus korszakot. -sokszínűbbnek -száj vízöblítése -dohányrágás -antibiotikum érzékenység -a vizsgált bennszülött populáció tagjai korábban nem érintkeztek semmilyen mesterséges antibiotikummal, baktériumflórájuk mégis 28 szintetikus vagy fél-szintetikus antibiotikum rezisztencia gén negyedik generációs cefalosporin ellen
A mikrobiom a korábbi antibiotikum-használattól függetlenül a humán flóra jellegzetessége. A vizsgálat számos kérdést vet fel a globalizáció és a nyugati életvitel baktérium flórára gyakorolt hatásáról
TESTÜNK: ÖKOSZISZTÉMA A mikróbák nagy szám- és DNS-beli túlsúlyban vannak „Ártatlan szemlélői” vagyunk a patogén és apatogén mikróbák kűzdelmének? Milyen szinten folyik a „párbeszéd” Ok? okozat? Horizontális géntranszfer a mikróbák és a sejtjeink között?
Új „antibiotikum” –éra következik?
“Ne érezd magad magányosnak, az egész univerzum benned van.” Jalāl ad-Dīn Muhammad Rūmī
