Разработан надежный метод для анализа микробиома

Ученые разработали технологию для анализа данных геномной последовательности, которая позволяет более эффективно и точно определять различия между метагеномами для множества бактериальных сообществ, которые могут помочь изучать, диагностировать и лечить многие заболевания человека. В новом исследовании данный метод был успешно проверен на микробиоте кишечника.

Команда во главе с учеными из Московского физико-технического института (Москва, Россия) предложила новый метод сравнения метагенома, представляющего собой совокупности последовательностей ДНК всех микроорганизмов в биологическом образце. Метод обеспечивает возможность более эффективного решения задачи сравнения образцов и может быть легко включен в процесс анализа данных метагенома.


Бактериальные клетки в человеческом организме, большинство из которых обнаруживается в кишечнике, занимают особое место в метагеномике, включая проект “Микробиом человека”. Состав микробиоты чувствителен к процессам, происходящим в организме. Таким образом, сравнение образцов пациентов с образцами людей со здоровым метагеномом кишечника, вероятно, приведет к появлению методов, которые могут оценить риск возникновения различных заболеваний, включая сахарный диабет и воспалительное заболевание кишечника.

Традиционный метод анализа метагенома заключается в сравнении образцов на основе их таксономического состава: процентного соотношения каждого обнаруженного вида микроорганизмов. Чтобы определить состав образцов, их нуклеотидные последовательности сравнивают с базой данных референсных наборов известных бактериальных геномов. Однако у этого метода есть несколько недостатков. Во-первых, эталонные геномы часто бывают неточными, поскольку составление эталонного генома – в вычислительном отношении сложная и отнимающая много времени задача, особенно это касается трудных для выращивания видов. Геномы видов, выделенные в лаборатории, могут нести гены, существенно отличающиеся от тех же самых видов, живущих в естественной природной среде. Во-вторых, как правило, не все микроорганизмы собраны в референсные наборы геномов (например, вирусы). Поэтому часть последовательностей образца, которая не соответствует эталонному образцу, просто не принимается во внимание во время анализа, несмотря на то, что она может быть весьма существенной.

Новый метод основан на сравнении частот повторения k-меров, которое не требует обращения к референсному образцу или наличия какой-либо информации об исследуемых организмах. Все последовательности в образце подвергаются анализу, обеспечивая оптимальные результаты. Каждую геномную последовательность представляют как набор со всеми вариантами нуклеотидных “слов” определенной длины "k", называемый k-мерами.

Поскольку каждая геномная последовательность уникальна, наборы таких “слов” отличаются между отдельными организмами. Таким образом, набор всех k-меров для метагенома может быть рассмотрен как ряд наборов, а именно составляющих его организмов. Это позволяет выполнить оценку различий в составе бактериальной микрофлоры при сравнении образцов.

Чтобы проверить эффективность технологии, основанной на k-мерах, по сравнению с традиционными методами, были использованы два набора данных о метагеноме – набор реальных данных и набор искусственно сформированных данных. Искусственные данные (созданные из геномов с известными заранее количественными соотношениями) удобны для тестирования метода, так как последовательность точно известна, и результат может быть оценен путем сравнения с заведомо правильным значением.

В качестве реальных наборов данных использовались метагеномы кишечника жителей Соединенных Штатов и Китая. Бактериальные сообщества кишечника значительно отличаются между различным населением и, как было подтверждено алгоритмами, позволяют определить точные индикаторы, которые показывают различия в составе. Поэтому критерием оценки эффективности нового метода была величина, на которую метагеном может отличаться, – именно так метагеномы жителей Китая отличаются в целом от метагономов американцев.

Метод сравнения k-меров показал лучшие результаты при обоих типах данных, по сравнению с использованием традиционного картирования с референсным набором. Кроме того, при использовании реальных данных несоответствие между результатами для k-меров и традиционно используемых методов позволило исследователям обнаруживать другой важный компонент метагенома кишечника, а именно бактериальный фаг crAssphage, который остался незамеченным исследователями, использующими традиционный метод.

“Интересно заметить, что гены могут быть рассмотрены не только как сегменты ДНК с закодированными в них белками, но также и как информация в целом. Именно это информационное различие позволило нам определять новые сегменты ДНК, которые не были описаны в каталоге известных генов. [Будет] интересно увидеть, как этот метод станет использоваться другими исследовательскими группами”, - сказал соавтор Дмитрий Алексеев (Dmitry Alexeev).

Исследование, выполненное Дубинкиной В.Б. (Dubinkina V.B.) и соавторами, было опубликовано 16 января 2016 года в журнале BMC Bioinformatics.

Ссылки по теме:
Московский физико-технический институт