Il microbiota umano ospita più di 140.000 specie di virus

Condividi l'articolo di Microbiologia Italia:

Lo studio dei virus nel microbiota umano

I virus sono entità abitanti il pianeta sin dalle origini della vita. Sono sparsi in tutto il globo e sono più numerosi, per specie e numeri, di qualunque altro organismo. Il termine “entità” non viene usato casualmente per etichettarli, in quanto sono esseri ancora misteriosi per molti aspetti e il dibattito tra biologi riguardo al come identificarli, organismi viventi o non, è ancora acceso. Essi contengono materiale genetico e hanno riproduzione e sopravvivenza come obbiettivi principali. Tuttavia la loro vita non è autonoma e non metabolizzano nutrienti come qualunque altro essere vivente. La loro attività nella flora intestinale è stata fino a pochi anni fa quasi ignorata.

Un gruppo combinato di ricercatori del Wellcome Sanger Institute e dell’ EMBL’s (European Bioinformatics Institute “EMBL-EBI”) ha identificato più di 140.000 specie diverse di virus presenti nel microbiota umano. Più della metà di queste era fino ad ora sconosciuta, motivo in più per enfatizzare l’importanza di questa ricerca. L’articolo è stato pubblicato il 18 Febbraio 2021 sulla rivista Cell. I ricercatori sono rimasti sorpresi dalla diversità di specie di virus identificate, e i dati da loro raccolti indicano come i virus del nostro microbiota possono influenzare la nostra salute.

L’equilibrio del microbiota

Il nostro intestino è in realtà un ambiente ricco di biodiversità, ovviamente in termini di microrganismi. Al suo interno vive infatti una vasta popolazione batterica, virale e micetica, raggruppata nel termine comune “microbiota umano“. I batteri sono ovviamente il “core” di questo ecosistema. Sappiamo che ad esempio i phyla più presenti sono Bacteroidetes e Firmicutes, e che la quantità delle due popolazioni varia in base a diversi fattori. Questi possono essere interni, come mutazioni genetiche, oppure esterni, come ad esempio una dieta sbilanciata o condizioni ambientali particolari, intossicazioni ed altro. Questi fattori possono portare a cambiamenti radicali del piccolo ecosistema. Ciò sfocia spesso nell’alterazione della nostra salute: infiammazioni croniche come IBD (Inflammatory Bowel Disease) o morbo di Crohn, così come allergie alimentari oppure obesità, sono quasi sempre correlate ad alterazioni del microbiota.

Come i virus regolano il microbiota

Tra i fattori strutturali dell’equilibrio della flora intestinale giocano un ruolo importante anche i virus. Tantissime specie abitano il nostro intestino infatti. Molti di questi sono batteriofagi, ossia virus che infettano ed invadono proprio i batteri, riproducendosi all’interno delle cellule degli stessi. Essi hanno una forma particolare rispetto ad altri virus, e dei tratti condivisi tra le diverse specie. Una “testa” a forma di icosaedro detta capside, contenente DNA o RNA a seconda della specie, una struttura proteica intermedia detta collare, infine una “coda”, costituita da proteine di ancoraggio con le quali attraccare sulla superficie del batterio (Fig.1). Recentemente si stanno sviluppando anche le “phage therapies“, per l’appunto terapie per curare infezioni batteriche tramite dei batteriofagi geneticamente modificati per assalire solo il patogeno di interesse.

Tuttavia poco è risaputo dei batteri e dei virus batteriofagi che vivono al suo interno, e in quale modo le modifiche alle loro popolazioni favoriscano l’insorgenza di malattie o condizioni di salute negative.

L’analisi metagenomica del microbioma

Il gruppo di ricercatori ha utilizzato l’analisi metagenomica tramite DNA-sequencing per catalogare la biodiversità dei virus presenti nei vari campioni di microbiota, prelevati da soggetti di età, sesso, etnia e dieta giornaliera diverse. Nello specifico le sequenze virali sono state isolate da 28.060 campioni di microbiota umani e da 2.898 genomi di batteri cresciuti al loro interno. I soggetti analizzati provengono da 28 nazioni diverse in tutti e sei i continenti. Da qui la classificazione di 140.000 e più specie, tra le quali più del 50% mai isolate e identificate prima.

Risultati

Circa il 36% dei cluster genetici rivelano che questi batteriofagi non sono specializzati nell’infezione di una singola specie di batteri. Questo significa che essi possono svolgere un ruolo importante come regolatori delle diverse popolazioni della flora intestinale. I ricercatori hanno anche trovato che il più delle specie di batteriofagi infetta batteri del phlyum Firmicutes. I virus sono stati raggruppati in viral clusters (VC).

Sono stati identificati inoltre diversi virus appartenenti allo stesso cluster, con un probabile antenato comune. Essi sono stati rinominati Gubafagi (Fig.2). Sono il secondo gruppo di virus più numeroso nella flora intestinale, dietro solo ai crAssafagi, scoperti nel 2014. I due gruppi sembrano essere prevalenti negli stessi tipi di microbiomi, ossia nell’intestino di persone che si trovano in luoghi simili del mondo e condividono una dieta comune, ma non ci sono dati certi sullo sviluppo e funzione dei Gubafagi nel microbiota.

Dal risultato di questa analisi metagenomica è nato il Gut Phage Database (GPD), un database contenente 142,809 genomi, non ridondanti, di batteriofagi abitanti il nostro corpo. Sarà una sorta di libreria comune per i futuri studi inerenti funzioni e sviluppo delle varie specie virali nella flora intestinale, un catalogo utile per portare avanti studi futuri.

Schema riassuntivo della ricerca del gruppo misto Sanger-EMBL e risultati
Figura 2 – Schema riassuntivo della ricerca e analisi dei microbiomi. Fonte: https://netmassimo.com/2021/02/21/oltre-140-000-virus-batteriofagi-scoperti-nel-microbioma-intestinale-umano/

Considerazioni finali

Il GPD raccoglie un catalogo di phageomes, appunto genomi di batteriofagi, e mostra come questi, pari passo coi batteri, si modifichino in termini di popolazioni in base allo stile di vita umano. Il phageome era già stato analizzato precedentemente da altri gruppi di ricerca, che avevano evidenziato come la carica virale sia diversa nel microbiota di ogni individuo. Ancor più importante, il profilo genetico del phageome risulta più specifico per ogni individuo rispetto anche al batterioma, la parte del microbioma appunto sequenziata da batteri. Questo enfatizza come il phageome sia un fattore importante nell’identikit del microbiota di ogni persona e della sua salute.

C’è una differenza netta di cluster tra campioni provenienti dai blocchi nordamericano ed eurasiatico e quelli provenienti da Sudamerica ed Africa. L’Oceania è un caso particolare, perché condivide nicchie dell’uno e dell’altro. La spiegazione può essere data semplicemente dalla dieta, occidentale nel primo blocco e non occidentale nel secondo. In base ai nutrimenti medi quotidiani i soggetti sviluppano diverse popolazioni microbiotiche, partendo dalla quantità diversa dei due phyla principali, Firmicutes e Bacteroidetes. Da qui gli stessi virus batteriofagi, adattandosi alla flora intestinale, si sviluppano in cluster più o meno estesi e specializzati nell’infezione dei batteri più presenti nel microbiota di ognuno. Tuttavia, nonostante la diversità dei cluster, i virus del microbiota umano condividono circa il 90% di identità genomica, in tutti i phageomes, e sono quasi tutti composti di DNA.

Come afferma uno degli autori della ricerca, il Dr Alexandre Almeida: “Non tutti i virus sono pericolosi. Al contrario rappresentano tasselli fondamentali dell’ecosistema della nostra flora intestinale. La stragrande maggioranza dei virus che abbiamo identificato posseggono un genoma fatto di DNA, e sono quindi diversi dai virus patogeni pericolosi per l’uomo che tutti conoscono e che sono composti invece di RNA. Zika, SARS-Cov2 ed altri famosi patogeni fanno parte di questa categoria. Seconda cosa, altrettanto importante, i microbiomi che abbiamo analizzato e sequenziato provengono da soggetti sani, che non hanno malattie infettive o genetiche specifiche. Ed è quindi molto affascinante studiare come questa grande quantità di virus sia importante per l’equilibrio del microbioma e la nostra salute

Fonti

  • Luis F. Camarillo-Guerrero, Alexandre Almeida, Guillermo Rangel-Pineros, Robert D. Finn, Trevor D. Lawley. Massive expansion of human gut bacteriophage diversityCell, 2021; 184 (4): 1098 DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.029
  • Wellcome Trust Sanger Institute. “Scientists identify more than 140,000 virus species in the human gut: Study opens up new research avenues for understanding how viruses living in the gut affect human health.” ScienceDaily. ScienceDaily, 18 February 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210218142739.htm>.
  • https://www2.le.ac.uk/projects/vgec/highereducation/topics/microbial-genetics-1/bacteriophage;
  • Shkoporov, A., Ryan, F., Draper, L. et al. Reproducible protocols for metagenomic analysis of human faecal phageomes. Microbiome 6, 68 (2018). https://doi.org/10.1186/s40168-018-0446-z
Condividi l'articolo di Microbiologia Italia:

Un commento su “Il microbiota umano ospita più di 140.000 specie di virus”

Lascia un commento