Mutazioni adattive nel microbioma intestinale: il caso del Bacteroides fragilis

Mutazioni adattive nel microbioma intestinale: il caso del Bacteroides fragilis

• Il microbioma intestinale consente l’adattamento?
• Studi in vivo vs in vitro
• Suggerimenti per la ricerca futura

Stato dell’arte
Le mutazioni batteriche sono ben descritte e studiate come meccanismo adattativo durante le infezioni. Tuttavia, si sa poco sul ruolo delle mutazioni adattative nel microbioma intestinale di persone sane.

Cosa aggiunge questo studio
Questo studio ha investigato l’evoluzione di Bacteroides fragilis, un batterio commensale umano e ha concluso che B. fragilis si diversifica in sub-lignaggi coesistenti e si adatta attraverso mutazioni de novo all’interno di persone sane. Una mutazione, in particolare, è stata ulteriormente indagata nelle popolazioni occidentali e in quella cinesi ed è risultata quasi assente in quest’ultima.

Conclusioni
È necessario un lavoro futuro per comprendere l’importanza dell’evoluzione all’interno della persona per la progettazione di terapie basate su microbiologia. Questo studio dimostra l’importanza di padroneggiare le dinamiche dei microbiomi umani per scoprire geni e percorsi critici per la sopravvivenza batterica.

I batteri commensali hanno colonizzato i tratti digestivi dei mammiferi per centinaia di migliaia di anni e possono colonizzare stabilmente una persona per decenni. Milioni di mutazioni batteriche sono attese ogni giorno nel microbioma intestinale, ma si sa ancora poco di quelle adattive. A tutt’oggi, le mutazioni adattative sono state identificate solo durante le infezioni o in esperimenti di laboratorio, e le indagini precedenti non hanno trovato alcun segno di evoluzione adattativa individuale.

I microbiomi intestinali, tuttavia, sono eterogenei e individualizzati. Pertanto, la pressione dell’ecosistema di un singolo individuo potrebbe fornire il potenziale per mutazioni adattive nei batteri.

Questa è stata l’idea di partenza della ricerca di S. Zaho e dei colleghi del Massachusetts Institute of Technology, negli Stati Uniti, pubblicata su Cell Host & Microbe.

Il microbioma intestinale è abbastanza variabile da consentire l’adattamento?

In un periodo di 2 anni i ricercatori hanno raccolto 30 campioni da 12 soggetti sani per esaminare l’evoluzione di B. fragilis all’interno di ciascun individuo. Sono state derivate circa 600 colture isolate, ciascuna a partire da una singola cellula indipendente nel microbioma originale.

La popolazione di B. fragilis di ogni soggetto è risultata dominata da un lignaggio che è specifico e unico per quella persona. I lignaggi si diversificano all’interno di ogni individuo per formare sub-lignaggi coesistenti che acquisiscono mutazioni de novo durante la vita del soggetto.

Tra i sub-lignaggi coesistenti, l’acquisizione indipendente e parallela di mutazioni negli stessi geni, nonché un aumento della frequenza di alcune mutazioni, evidenziano la caratteristica adattativa delle mutazioni. I ricercatori hanno identificato 16 geni in evoluzione adattativa.

Il fatto che 9 su 12 lignaggi presentino almeno una mutazione in uno dei 16 geni dimostra che l’adattamento è una caratteristica comune dell’evoluzione all’interno della persona.

Tra i 16 geni sottoposti all’evoluzione adattiva parallela, 6 codificano per un grande gruppo di importatori di polisaccaridi che si trovano sulla membrana esterna. Pertanto, la pressione selettiva alla base delle mutazioni potrebbe essere rappresentata dalla dieta dell’ospite. D’altra parte, altri 5 geni sono implicati nella biosintesi della membrana esterna, e ciò suggerisce che questi batteri possano essere sotto pressione per eludere la predazione da parte dei fagi o per modificare l’interazione con il sistema immunitario.

Una mutazione ha mostrato un’alta incidenza tra i 12 soggetti in questo studio. La sua incidenza è stata confrontata con la prevalenza in diverse popolazioni umane sfruttando 4 set di dati: due dalla Cina, uno dagli Stati Uniti e uno dal Regno Unito. Inaspettatamente, il gene mutato è risultato altamente prevalente nei campioni occidentali ma quasi assente in quelli cinesi, suggerendo la presenza di una pressione selettiva nella popolazione occidentale rispetto a quella cinese.

Studi in vivo vs in vitro

Anche i sotto-lignaggi sono state analizzati ed è stato osservato che alcuni di essi coesistono in vivo. I ricercatori hanno voluto testare se coesistessero anche in vitro. Sorprendentemente, la dinamica osservata all’interno dei singoli individui è risultata in contrasto con i risultati in vitro. Una dei due sotto-lignaggi, che stavano evolvendo insieme in vivo, ha mostrato una marcata prevalenza sull’altro in vitro. Questo risultato sperimentale riflette la sfida di ricostruire la dinamica intra-individuale in vitro e mette in luce il potere delle serie temporali per l’osservazione delle dinamiche evolutive.

Suggerimenti per la ricerca futura

Questo studio si è limitato a 12 soggetti. È necessario quindi studiare un numero maggiore di casi e gli stessi lignaggi in ospiti indipendenti (dopo il trapianto fecale) per svelare la natura reale e la specificità dell’adattamento dovuto alla pressione evolutiva. Inoltre questo studio si è limitato a indagare una singola specie e quindi sono necessari ulteriori studi per verificare se il rapido adattamento è specifico di B. fragilis o una caratteristica comune dei commensali intestinali.

Sono inoltre necessari ulteriori studi per indagare se le forze selettive che guidano l’adattamento sono specifiche di ogni persona. L’evoluzione intra-individuale in persone sane potrebbe dover essere considerata come una forza trainante per le dinamiche comunitarie insieme alle forze ecologiche.

Federica Crova
Traduzione dall’inglese a cura della redazione