I progressi nell’analisi computazionale dei metagenomi intestinali hanno rivelato una pletora di virus latenti integrati nei genomi batterici, noti come profagi, che si ritiene influenzino il microbiota attraverso processi come trasferimento genico orizzontale e conversione lisogenica. In base alle evidenze più recenti fino al 90% dei cromosomi batterici ospita profagi, ma non è ancora chiaro in che modo ne influenzino la fitness.
Uno studio internazionale guidato da Sofia Dahlman della Monash University di melbourne (Australia) ha identificato centinaia di nuovi batteriofagi nel microbiota, di cui la maggior parte è presente in stato dormiente, ma può essere “risvegliata” da molecole come la stevia o composti prodotti dalle cellule intestinali. In base al confronto con un database composto da quasi 10mila genomi virali, 30 genotipi appartengono a nuove specie e cluster virali, come LoVEphage – con una prevalenza dell’8% –Hankyphage e Hankyvirus. Il lavoro apre la strada a nuove strategie terapeutiche per modulare il microbioma e trattare malattie come le infiammazioni intestinali. Lo studio è stato pubblicato a ottobre su Nature.
Selezione dei ceppi e ricerca dei profagi
I ricercatori hanno selezionato 252 isolati batterici intestinali – pari a 50 Actinomycetota, un Fusobacteriota, 51 Bacillota, 57 Pseudomonadota e 93 Bacteroidota – e li hanno esposti a otto diversi agenti e condizioni di induzione, tra cui un controllo di terreno standard, mitomicina C, perossido di idrogeno, stevia e due condizioni di fame (deplezione del carbonio al 50% e deplezione degli acidi grassi a catena corta o SCFA al 100%).
L’estrazione di DNA virale da ben 433 campioni ha permesso di individuare 125 profagi inducibili, nonché 63 specie da 73 isolati batterici, costituiti soprattutto dai phylum Bacteroidota, Pseudomonadota e Bacillota.
Il ruolo delle cellule intestinali nell’attivazione dei profagi
Un sottoinsieme di 78 ceppi batterici è stato utilizzato per costruire una comunità batterica sintetica e studiarne gli effetti in presenza di un monostrato di cellule epiteliali del colon umano (Caco2). In base alla mappatura delle letture, Caco2 ha indotto quasi il doppio dei fagi, pari a 57 su 162 (circa il 35%), con una forte prevalenza di Pseudomonadota e Bacteroidota. In un’altra analisi, sono state osservate sequenze uniche (k-meri) all’interno di ciascun profago responsabili dell’induzione di distinte coppie profago-ospite. 150 profagi previsti su 338 contenevano k-meri unici, capaci di indurre circa 43 profagi, la metà dei quali situata all’interno di Caco2. I ricercatori hanno perciò selezionato 32 isolati batterici dalla comunità per saggi di induzione in coltura pura (monostrati di cellule, lisati cellulari e terreno di coltura cellulare DMEM da soli) e hanno osservato, nel primo e nel terzo caso, l’attivazione di 14 profagi, mentre nel secondo di ben 25. Tra questi, nove non erano rilevabili attraverso l’impiego di agenti di induzione standard.
Virus inediti dominano il viroma intestinale
Nel complesso, 35 profagi su 146 sono risultati inducibili in tutte le condizioni, ma solo il 32% (80 su 252) è stato attivato e il 18% (134 su 736) delle previsioni di alta qualità corrispondeva a profagi inducibili in condizioni di coltura pura. Bacteroidota ha riportato la più alta concordanza tra regioni profagiche inducibili e previste – pari al 27% – mentre in Pseudomonadota solo il 12% è risultato inducibile. Nelle comunità sintetiche, invece, è stato indotto il 36% delle specie.
Il confronto con un ampio database di genomi virali ha mostrato che pochi fagi appartengono a ordini già noti, come Caudoviricetes – 133 in totale – e Faserviricetes. Infatti, il 26% delle specie era noto per infettare Pseudomonadota (Bcepmuvirus, Punavirus, Uetakevirus ePeduoviridae), Bacillota (Spbetavirus) e Bacteroidota (Winoviridae). 30 genomi, invece, sono stati raggruppati in nuovi cluster virali: oltre la metà corrispondeva a Hankyphage – osservato nei Bacteroides – seguito da sette Hankyvirus – un nuovo genere, indotto in Bacteroides e Phocaeicola, costituito da 52 specie provenienti da nove generi e cinque famiglie.
Quasi la metà delle specie di profagi inducibili (28 su 68) era rilevabile nei viromi intestinali, con una prevalenza dell’8% per LoVEphage – che ha infettato Bacteroidaceae come Bacteroides e Phocaeicola – e del 19% per il genoma Crassvirales. Il 2-5% dei viromi ospitava anche Hankyvirus, nuovi fagi Bacteroidota e Uetakevirus.
Il ruolo dei DGR nella diversità genetica
L’analisi genomica ha rivelato due gruppi distinti di profagi: da un lato genomi lunghi, di alta qualità e spesso inducibili; dall’altro sequenze più corte e incomplete, prive di geni essenziali — implicati nell’integrazione o ricombinazione sito-specifica — ma ricche di geni accessori e con funzione sconosciuta. Infatti, sebbene diverse analisi genetiche non abbiano rilevato differenze significative tra profagi inducibili e non, la presenza, in oltre un terzo dei geni, di retroelementi generatori di diversità (DGR) era responsabile dell’alto tasso di mutazione rispetto al genoma dell’ospite.
I DGR, noti per prendere di mira proteine della coda e favorire il rapido cambio di ospite, erano coinvolti nell’integrazione e nell’escissione dei profagi non indotti e prevalevano in Bacteroidota, in cui si replicavano in diverse specie e generi batterici. Inoltre, quattro specie codificavano per una seconda regione variabile diretta verso geni distali della trascrittasi inversa, rilevata in prossimità di geni di controdifesa, come la DNA metiltransferasi.
Segnali specifici dei phyla possono governare l’induzione
L’analisi qPCR e il sequenziamento di un mutante del profago Pomma – indotto da perossido di idrogeno e stevia – depleto della proteina di trasposizione del DNA (tran), ha confermato il ruolo di tran nell’inattivazione dei profagi. Nel ceppo Bacteroides faecis CC01414, il trattamento con i due agenti ha prodotto nei ceppi selvatici una copertura di circa 26 volte superiore allo sfondo batterico, un effetto assente nella controparte mutante.
Tra tutte le condizioni testate la mitomicina C ha attivato il maggior numero di profagi (pari a 70) – in particolare, in Pseudomonadota – seguita dal perossido di idrogeno (43) – circa l’80% in Bacteroidota. Tuttavia, si tratta di incrementi marginali rispetto all’induzione spontanea osservata in condizioni standard di crescita, come nelle colture Caco2, che hanno indotto 29 profagi su 32 ospiti testati. Un fattore determinante è risultato essere la presenza di più profagi inducibili nello stesso genoma, osservata soprattutto in Bacteroidota. Nell’analisi genomica di cinque isolati di Bacteroidota caccae altamente simili, che ospitano due profagi – Wilby e Pomma – è emersa un’induzione preferenziale di Wilby – integrato nella stessa posizione del gene del tRNA, tipica dell’integrazione sito-specifica. Pomma invece, si trovava in quattro diverse posizioni.
Conclusioni
Il viroma intestinale è dominato da profagi in larga parte dormienti, la cui attivazione dipende da segnali specifici dell’ambiente e dal genoma batterico. Infatti, è probabile che alcuni profagi non siano stati indotti a causa dell’assenza di fattori appropriati, la cui comprensione potrebbe aprire nuove prospettive per regolare il microbiota, trasformando i virus in potenziali strumenti terapeutici.
Studi futuri potrebbero indagare, ad esempio, il ruolo dei DGR, che conferiscono ai profagi un’elevata plasticità evolutiva – inclusi stimoli alimentari, stress cellulari e interazioni microbo-ospite.
