Il microbioma vaginale, seppur tassonomicamente molto semplice, ospita centinaia di ceppi microbici che spesso non possono essere classificati soltanto mediante il profilo genico dei marcatori. Difatti, più ceppi della stessa specie, hanno impatti ecologici e clinici molto diversi sulla salute riproduttiva. Per tale motivo i ricercatori hanno condotto uno studio, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista mBio, sviluppando un algoritmo di inferenza vaginale di sottospecie e tipizzazione per migliorare la comprensione del microbioma vaginale.
Microbioma vaginale e sua composizione
Il microbioma vaginale ottimale è caratterizzato da una bassa ricchezza di specie batteriche e dalla predominanza di specie di Lactobacillus. Quando vi è la presenza di un insieme diversificato di batteri anaerobi facoltativi e obbligati, come Gardnerella, Sneathia, Prevotella e Candidatus Lachnocurva vaginae, i microbiomi sono considerati non ottimali e associati a esiti avversi per la salute riproduttiva e urogenitale. Per descrivere questi modelli, i microbiomi vaginali sono comunemente classificati in tipi di stato di comunità (CST), definiti dall’abbondanza relativa di taxa batterici chiave. Sono stati descritti cinque CST primari che differiscono nella struttura della comunità, ciascuno definito dalla sua specie dominante: L. crispatus (CST I), L. gasseri (CST II), L. iners (CST III), diversi anaerobi (CST IV) e L. jensenii (CST V). Tuttavia, tale classificazione, non è sufficiente.
Sottospecie metagenomiche del microbioma vaginale
Considerando i limiti della classificazione tassonomica, sono state identificate le sottospecie metagenomiche (mgS), che rappresentano il repertorio genomico di una specie all’interno di un microbioma vaginale. La combinazione di tutte le mgS in un dato microbioma vaginale definisce i tipi di stato della comunità metagenomica (mgCST). La caratterizzazione dei microbiomi a livello di mgS e mgCST consente un passaggio dalla tassonomia a raggruppamenti funzionalmente definiti che rappresentano più accuratamente le interazioni funzionali ospite-microbioma e sono più adatti a sondare le relazioni causali. Considerando che il catalogo genico vaginale comprende oltre 1,7 milioni di geni da più di 280 specie, tra cui 15 specie di Gardnerella, si sono resi necessari metodi aggiornati per perfezionare le classificazioni di mgS e mgCST.
Innovazioni dell’algoritmo VISTA
È stato creato un algoritmo di inferenza vaginale di sottospecie e tipizzazione (VISTA), per classificare al meglio mgCST. L’algoritmo VISTA utilizza geni ortologhi vaginali (VOG), cluster di geni non ridondanti raggruppati per similarità di sequenza proteica, per definire sia mgS che mgCST. Il clustering per ortologhi piuttosto che per singoli geni è vantaggioso perché gli ortologhi riflettono meglio le capacità funzionali del microbioma, fornendo così un approccio scalabile per collegare la diversità a livello di specie e ceppo a risultati funzionali misurabili. Questo approccio consente anche confronti interspecie significativi raggruppando geni con funzioni condivise nonostante la variazione di sequenza, semplificando efficacemente grandi set di dati metagenomici e preservando al contempo le informazioni funzionali essenziali. Inoltre, la profilazione metatrascrittomica e immunologica dell’ospite accoppiata ha rivelato attività trascrizionali e firme immunitarie distinte, sottolineando la loro utilità per l’interpretazione della funzione del microbioma in vivo.
Gardnerellae capacità funzionale dei microbiomi vaginali
Sono stati osservati elevati conteggi nei geni ortologhi vaginali (VOG) a predominanza di Gardnerella. Ciò riflette le differenze sottostanti nella composizione delle specie e nel contenuto di ortologhi specifici per ceppo, suggerendo che i ceppi di Gardnerella contribuiscono in modo non uniforme alla capacità funzionale dei microbiomi vaginali. Queste differenze sono ulteriormente influenzate dalla variazione a livello di campione nel numero di specie di Gardnerella e dalla ricchezza e uniformità dei taxa coesistenti. L’arricchimento di geni legati a elementi genetici mobili suggerisce una maggiore plasticità genomica, consentendo il trasferimento genico orizzontale e l’acquisizione di tratti adattativi. Tali capacità conferiscono probabilmente vantaggi ecologici, influenzando la persistenza del ceppo, le interazioni competitive e la potenziale patogenicità all’interno dell’ambiente ospite.
Associazione tra profili trascrizionali e profili immunologici
Il microbioma vaginale non ottimale si associa a una riduzione di IP-10 (interferon-gamma induced protein 10) e MIG (monokine induced by gamma interferon), nonché a concentrazioni elevate di IL-1α e IL-1β, rispetto alle comunità ottimali a predominanza di Lactobacillus. Mediante l’algoritmo VISTA sono state osservate differenze significative in questi marcatori immunitari in mgCST di Gardnerella. In dettaglio, una mgCST di Gardnerella ha mostrato un profilo immunitario più simile a quello delle mgCST a predominanza di L. crispatus rispetto alle altre mgCST a predominanza di Gardnerella. Questo risultato suggerisce che, nonostante la predominanza di G. vaginalis, questa mgCST potrebbe condividere caratteristiche immunologiche con gli stati ottimali.
Caratteristiche metaboliche di mgCST di G. vaginalis
La predominanza di G. vaginalis, unita alla sua più ristretta attività trascrizionale tra i taxa, suggerisce una dinamica ecologica competitiva caratterizzata dalla monopolizzazione della nicchia. Questo suggerisce una strategia di stabilità genomica, specializzazione dell’ospite e meccanismi di metabolismo dei carboidrati arricchiti che supportano la sopravvivenza in un ambiente a basso pH e con risorse limitate. Difatti, la presenza di due geni pullulanasi aggiuntivi suggerisce una maggiore capacità di utilizzo del glicogeno, poiché cambiamenti nell’architettura della pullulanasi potrebbero influenzare l’accesso ai nutrienti. In particolare, viene codificata anche una permeasi L-lattato, che consente l’assorbimento di L-lattato esogeno (ad esempio, prodotto da Lactobacillus) e potenzialmente facilita la coesistenza con L. crispatus.
Strategie ecologiche divergenti all’interno di G. vaginalis
Molto distintiva è l’architettura di difesa genomica di G. vaginalis. Difatti, mgSs1 di G. vaginalis presenta un sistema che crea una forte barriera al flusso genico orizzontale, preservando l’integrità della struttura del genoma, mentre mgSs2 di G. vaginalis codifica una gamma più ampia di trasportatori, peptidasi ed elementi mobili, in linea con l’opportunismo metabolico e le interazioni polimicrobiche. Queste differenze suggeriscono che mgSs2 potrebbe mostrare una maggiore resilienza allo stress e un maggiore potenziale di interazione con l’ospite, mentre mgSs1 conserva un apparato metabolico e di difesa più canonico, riflettendo strategie ecologiche divergenti all’interno di G. vaginalis. Di conseguenza, mgSs1 è stato osservato in modo univoco in microbiomi ottimali (ad esempio, dominati da L. crispatus), mentre mgSs2 predominava in comunità polimicrobiche non ottimali, dove la flessibilità metabolica e le interazioni interspecie sono vantaggiose.
Conclusioni
In conclusione, l’approccio basato su VOG di VISTA rappresenta un progresso significativo nella ricerca sul microbioma vaginale e dimostra che anche all’interno di una singola specie, diversi mgS possono presentare repertori funzionali distinti. Concentrandosi sugli ortologhi funzionali piuttosto che sui singoli geni, VISTA offre una migliore risoluzione delle sottospecie e consente un’esplorazione più precisa delle associazioni funzionali tra la composizione del microbioma vaginale e gli esiti di salute. Le solide prestazioni di VISTA su diverse specie microbiche, la sua adattabilità alla variazione geografica e l’accessibilità della sua applicazione web lo rendono un potente strumento per il progresso della ricerca sulla salute riproduttiva.
