Tracciando il modo in cui i geni adattativi si diffondono nei batteri intestinali attraverso i diversi continenti, un team di ricercatori ha trovato una risposta evolutiva nascosta alle diete e agli stili di vita moderni, e un nuovo potente modo per studiare l’evoluzione del microbioma.
Le diverse specie che compongono il microbioma intestinale umano si evolvono nel corso della vita dei singoli ospiti, attraverso numerosi cicli di colonizzazione. Studi recenti hanno dimostrato che la rapida evoluzione all’interno degli ospiti è comune tra i batteri intestinali commensali, con nuove mutazioni che spesso si manifestano e si diffondono con elevata frequenza negli adulti sani nel corso di giorni o mesi, anche in assenza di evidenti perturbazioni come quelle indotte dagli antibiotici. Per indagare le dinamiche a lungo termine, i ricercatori hanno condotto uno studio, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature, in modo da comprendere gli adattamenti man mano che si diffondono tra gli ospiti.
Nuovi adattamenti nel microbiota e trasferimento genico
Quando appare un nuovo adattamento nel microbioma di un ospite, esso può potenzialmente diffondersi a molti ospiti attraverso la trasmissione del ceppo e il successivo trasferimento genico orizzontale (HGT, horizontal gene transfer), considerando che il microbioma intestinale umano funge da hotspot per l’HGT, consentendo agli alleli adattativi di essere ricombinati facilmente. È stato dimostrato che l’HGT svolge un ruolo cruciale nella trasmissione di alcuni geni, come ad esempio i geni della resistenza agli antibiotici, ma non è chiaro in che misura l’HGT faciliti la diffusione di alleli adattativi tra ceppi della stessa specie di microbiota intestinale commensale, soprattutto tramite ricombinazione omologa. La scoperta di centinaia di selective sweep specifici per ciascun gene suggerisce che la ricombinazione sia il meccanismo principale attraverso il quale il DNA adattativo si diffonde nei batteri intestinali umani.
Diffusione di alleli adattativi e disequilibrio di linkage
Quando un allele adattativo si diffonde in una popolazione tramite una scansione selettiva gene-specifica, altre varianti vicine, che possono essere neutre o addirittura deleterie, verranno trasferite insieme alla variante adattativa. Di conseguenza, la stessa sequenza genomica che porta sia l’allele adattativo sia le varianti vicine apparirà in ceppi presenti in microbiomi ospiti diversi. Questa condivisione di sequenze locali dà luogo a una firma distinta di elevato disequilibrio di linkage (LD), una misura della correlazione tra alleli in posizioni diverse, in prossimità dell’allele adattivo rispetto al background genomico. Nel confrontare l’LD tra varianti non sinonime e sinonime, le varianti non sinonime comuni mostrano un LD più elevato rispetto alle varianti sinonime in prossimità di loci adattativi che hanno raggiunto un’alta frequenza, mentre le varianti sinonime possono essere neutrali.
Confronto tra LD di varianti sinonime e non sinonime
Quando varianti non sinonime, inizialmente rare, poste nelle vicinanze di una nuova mutazione adattativa raggiungono un’alta frequenza, saranno riscontrabili prevalentemente su aplotipi che presentano la mutazione adattativa. Al contrario, le varianti silenti (sinonime) possono raggiungere un’alta frequenza solo attraverso la deriva genetica, oltre che per spostamento per linkage durante uno sweep, e possono essere riscontrate sia su aplotipi che effettuano una riduzione selettiva del livello di polimorfismosia su quelli che non la effettuano. Pertanto, in prossimità di uno sweep selettivo, ci aspettiamo che varianti non sinonime comuni ad alta frequenza presentino un LD elevato tra loro, mentre varianti sinonime altrettanto comuni presenteranno un LD inferiore.
Mediante una nuova statistica di scansione di selezione denominata punteggio di disequilibrio di linkage integrato (iLDS), si è in grado di rilevare gli alleli adattativi che si diffondono nei microbiomi degli ospiti tramite migrazione e trasferimento genico orizzontale. Lo sviluppo e l’applicazione dell’iLDS consentono di comprendere sia le pressioni selettive che influenzano il microbioma intestinale, sia i meccanismi attraverso i quali i batteri intestinali si adattano per soddisfarle.
Influenza della dieta dell’ospite sulle varianti genetiche del microbiota
Uno dei fattori che determina la selezione di varianti genetiche specifiche all’interno della specie è la dieta dell’ospite. Ad esempio, le popolazioni umane che consumano diete ricche di glicani delle alghe, carne rossa e amidi vegetali sembrano selezionare geni in particolari specie batteriche che facilitano il metabolismo di questi substrati all’interno dell’ospite. Sottolineando il ruolo della dieta nel guidare gli adattamenti nel microbioma intestinale, è stata osservata una scansione selettiva nel locus mdxEF in Ruminococcus bromii che è onnipresente nelle popolazioni industrializzate, ma assente nelle popolazioni non industrializzate. Sebbene le precise pressioni selettive che guidano la diffusione delle varianti mdxEF nelle popolazioni industrializzate non siano chiare, è noto che questi geni facilitano la crescita sulla maltodestrina, un derivato sintetico dell’amido utilizzato frequentemente negli alimenti ultra-processati per le sue proprietà emulsionanti e di consistenza.
Conclusioni
Futuri studi molecolari che indaghino l’importanza funzionale di loci selezionati identificati dall’iLDS potrebbero fornire informazioni meccanicistiche su come i genotipi del microbioma conferiscano fenotipi agli ospiti, e migliorare così la capacità di diagnosticare e trattare malattie associate a specifiche varianti del microbioma, e consentirebbero anche di sfruttare le variazioni naturali esistenti nella progettazione di probiotici razionali.
