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확장된 마이크로 바이옴 프로젝트의 변형, 기능 및 역학

마이크로 바이옴은 인간의 제2의 유전체라고 불린다. 현재 마이크로 바이옴의 연구가 한참 진행 중이다. 과연 마이크로 바이옴의 기능과 역학은 어떻게 될까요? 흔히 사람을 돕는 유전체로 알려진 마이크로 바이옴은 농촌에서도 주목을 받고 있다. 이번 글에서 마이크로 바이옴의 변형 분석과 기능 및 역학을 알아보겠다.

체내 전체 균주의 다양성과 생태

균주의 다양성과 시공간 분포는 먼저 균주 PhIAn을 사용하여 조사되었으며, 이는 메타 유전체에서 충분히 풍부한 각 종의 지배적인 하플로 타입을 식별한다. 이전의 문화적으로 독립적인 대부분의 균주 조사는 내장만을 대상으로 했으며, 몸 전체의 계통발생학적 거리는 다른 모든 서식지가 더 큰 균주 다양성을 가지고 있음을 시사한다. 이전의 관찰과 일관되게, 변형률 프로파일은 시간에 따라 안정적이었으며, 시간에 따른 차이는 사람 간의 차이보다 일관되게 낮았다. 그럼에도 불구하고, 기술적 차이는 훨씬 더 낮았고, 시간에 따른 개인 내 변형률의 기준 수준을 나타냈다. 몇몇 종들은 실루엣에 기반한 틈새 연관성 점수에 따라 여기서 별개의 계통발생학적으로 관련된 균주 군집으로 정의되는 신체 부위별 아종 분류로 분화를 보였다. 이것은 해모필루스 파라인 플루엔 자과와 같은 극단적인 경우에서 쉽게 볼 수 있는데, 이 경우 상악골 플라크, 구강 점막, 혀 등뼈에서 뚜렷한 아종 분열을 볼 수 있다. 다른 아종 분류군으로는 로티아 무실라기 노사, 나이세리아 플라브 센스, 프로피오니박테륨 등이 있다. 일부 종들은 신체 부위에서 하위 종들을 분류하지 않고, 개체마다 다른 분류군으로 분류했다. 다른 종들은 이 개체군에서 별개의 아종 계통발생학적 구조를 전혀 보여주지 않았다. 흥미롭게도, 지리적으로 지역화된 아종 개체군 구조가 더 큰 지리적 범위를 가진 코호트에서 관찰되었지만, 연구에서 두 도시 중 어느 한 곳에 특정한 아종 분류는 발견되지 않았다. 배양 독립적인 균주 프로파일링은 이 분석에서 참조로 사용된 16,903개의 NCBI 분리 유전체와 결합하여 이러한 참조에 의해 인간 미생물 다양성이 얼마나 잘 커버되는지에 대한 새로운 정량화를 제공했다. 대장균과 유산균과 같은 잘 배열된 종들은 기준 분리물과 거의 차이를 보이지 않았다. 그러나, 몸 전체 마이크로바이옴에 널리 퍼지고 풍부한 많은 종들은 가장 가까운 기준 유전체에서 현저하게 분리되었다. 마이크로바이옴을 대표하는 고립 유전체가 없는 주목할 만한 분지 군으로는 악티 노미 세스, 헤모필루스 파라인플루엔자, 유박테리아 렉탈레, 그리고 몇몇 스트렙토코커스 종과 박테로이데스 종들이 있으며, 이들은 격리의 우선적인 표적을 나타낸다. 방법론과 참조 유전체의 개선으로 인해, 새로운 종 수준 분류학적 프로파일링에는 진핵생물, 바이러스, 고균 및 HMP1 데이터와 관련된 추가 54종의 세균이 포함되었다. 후자는 박테로이데스 도레이, 박테로이데스 프래질리스, 알리스티페스 파인골디, 알리스티페스 온데르돈키이, 그리고 분류되지 않은 아돌리그라눌룸과 오실리박터 등을 포함하고 있었다. 전자는 메타노브레비박터, 말라세지아, 칸디다와 함께 몇몇 바이러스들을 포함했다: 전두막에 있는 프로피오니박테륨 파지, 구강 부위에 있는 스트렙토코커스 파지, 대변에 있는 락토코커스 표적 C2형 바이러스. 비박테리아 종과의 동시 발생 패턴을 찾아본 결과, 메타노브레비박터 스미시이는 루미노코커스, 코프로코커스, 에우박테륨, 도레아 등 내장에 있는 여러 클로스트리디알레스와 동시 발생하는 경향이 있어 이전의 관찰을 보강하고 메타노겐과 클로스트리디의 동시 발생 패턴과 일치했다. 비만한 사람 대 비만한 사람 구강에서 가장 풍부한 종이었던 눈에 띄는 스트렙토코커스 파지는 구강 부위에서 수많은 스트렙토코커스 종들과 함께 발생하며, 이전에 관찰된 바와 같이 바이러스가 주로 예방주사로 존재함을 시사한다.

인간 마이크로 바이옴의 핵심 경로

틈새 관련 미생물 군집에 걸쳐 분자 기능이 강하게 보급되는 것은 함수의 광범위한 분류학적 분포 또는 해당 틈새에 서식하는 분류군 사이의 기능의 특정 농축으로 설명될 수 있다. 과학자들 HUMAnN224 프로그램을 사용하여 모든 HMP1-II 샘플을 기능적으로 프로파일링하여 인간 마이크로바이옴의 핵심 대사 경로 중 이러한 메커니즘을 조사했다. 과학자들은 6개의 대상 신체 사이트에서 각 피험자의 첫 번째 순차 방문을 나타내는 1,087개의 메타 유전체에 초점을 맞췄다. 과학자들은 강한 분류학적 귀속과 인간 마이크로바이옴과 일치하는 분류학적 범위를 가진 75% 이상의 개인에서 자신 있게 검출될 경우 특정 신체 부위로의 ‘핵심’ 경로가 될 수 있다고 고려했다. MetaCyc 데이터베이스에서 857개의 정량 가능한 경로의 시작 세트에서, 과학자들은 신체 부위로의 경로가 핵심인 950개의 사례를 탐지했다. 258개의 경로는 적어도 1개의 신체 부위로의 핵심이었고, 176개는 여러 신체 부위에서 신체 부위로의 핵심이었고, 28개는 모든 6개의 표적 신체 부위로의 핵심이었다. 편의상 이러한 클래스를 각각 코어 경로, 멀티 코어 경로, 슈퍼 코어 경로라고 한다. 광범위한 분류학적 분포에서 비롯된 핵심성과 틈새 특정 농도를 구별하기 위해 분류학적 범위에 따라 경로를 분류했다. 대부분의 경로는 10% 미만의 속에만 주석을 달았지만, 핵심 경로는 34%의 속, 다중 핵심 경로는 48%의 속, 슈퍼 핵심 경로는 70%의 속에만 주석을 달았다. 따라서 인체 부위의 핵심성은 종종 광범위한 분류학적 분포와 관련이 있으며, 더 많은 신체 부위의 핵심 경로는 보다 광범위하게 분포하는 경향이 있다. 극단적인 예로는 조효소 A 생합성과 아데노신 뉴클레오타이드의 생합성이 포함된다. 과학자들은 전체 MetaCyc 경로에 대한 분사 가능성 정보가 부족하지만, 개별 필수 유전자 패밀리가 이러한 샘플에서 비필수 패밀리보다 훨씬 더 널리 퍼져 있으며, 이는 많은 신체 부위의 핵심인 필수 기능과 일치한다. 반대로, 176개의 다중 코어 경로 중 19개는 BioCyc에서 인간 관련 없는 속 중 10% 미만으로 주석이 달린 것으로 보수적으로 정의되었으며, HUMANN2 데이터베이스의 10% 미만의 팬유전체에서 재구성되었다. 이러한 경우, 여러 인체 영역에 대한 핵심성은 인간 관련 분류군 사이의 농축에 의해 더 잘 설명되며, 더 넓은 틈새로서 인간 숙주에 대한 기능적 적응을 나타낼 수 있다. 특히 이들 19개 경로 중 13개는 BioCyc의 비인간 관련 속보다 2배 이상 풍부했지만, 정의에 의해 요구되지는 않았다. 인간 마이크로바이옴이 풍부한 경로는 무균 생쥐에서 보충되어야 하는 마이크로 바이오타에 의해 일반적으로 수행되는 과정인 비타민 B 생합성을 포함했다. 비타민 B 생합성 또한 구강에서 핵심이었으며, 침샘 합토코린은 나중에 소장에서 흡수될 수 있도록 비타민 B를 보호할 수 있다. 프로피온산으로의 발효는 구강 및 장 환경에서 특히 농축되었다. 짧은 사슬 지방산은 장 건강을 유지하는 데 제안된 역할로 주목할 만한 반면, 구강에서의 그들의 역할은 덜 잘 연구된다.

시간적 변형 및 기능

개체당 여러 시점에 신체 전체 WMS 샘플을 새로 사용할 수 있게 됨에 따라 종 수준에서 미생물 군집 구성의 역학을 더욱 특성화할 수 있었다. 공동체 전체의 종 보유율은 사후 포닉스를 제외한 모든 신체 부위에서 이전에 관찰된 것과 비슷했다. 개별 종의 역학을 특성화하기 위해 풍부도의 변동성을 피험자 간 구성적 차이, 시간 변동 역학, 생물학적 소음 및 기술적 소음의 네 가지 요소로 분해하는 가우스 프로세스 모델을 개발했다. 과학자들은 위에서 식별된 모든 핵심 경로에 대한 경로 풍부도의 역학을 특성화하기 위해 이 가우스 프로세스 분석을 반복했다. 후포닉스를 제외한 모든 신체 부위의 경로 풍부도는 이들을 암호화한 분류군보다 덜 개인화되었으며, 이는 군집합이 특정 유기체에 대한 요구보다는 기능적 틈새에 의해 주로 매개된다는 가설과 일치한다. 아미노산 생합성에 대해서는 시변 경로가, 비타민 B 생합성에 대해서는 개체 간 경로가 풍부했다. 대조적으로, 질 마이크로바이옴은 종과 경로 수준 모두에서 큰 개인 구성 요소를 보였으며, 질 마이크로바이옴의 안정적인 공동체 상태 유형 간의 변화와 일치했다. 장의 기능적 역학은 상대적으로 느렸고, 식이 패턴과 같은 장기적인 요인에 대한 반응 추세를 반영했을 수 있다. 반대로, 구강 부위의 역학관계는 빠른 에너지 수확과 훨씬 더 큰 환경 노출을 위한 서식지의 풍부함에 따라 특히 구강 점막에서 빨랐다.

조립에 의한 유전자 패밀리 발견

참조 기반과 어셈블리 기반 프로파일링에 의해 감지된 뚜렷하고 잘 커버된 Pfam 도메인의 수는 동일한 샘플 내에서 강하게 상관되는 경향이 있었으며, 이는 두 방법이 커뮤니티 기능 다양성의 상대적 순위를 비슷하다는 것을 시사한다. 또한, 두 가지 방법은 신체 부위의 핵심인 대부분의 Pfam 도메인을 공동 탐지하는 경향이 있었다. 참조 기반 프로파일은 특성화된 단백질의 주석을 기반으로 Pfam 도메인의 존재를 불렀지만, 프로파일 정렬을 통해 어셈블리에서 직접 검출될 수 있어 새로운 시퀀스 다양성을 포착할 수 있다. 실제로 어셈블리는 참조 기반 접근 방식보다 샘플당 19% 더 많은 Pfam 도메인을 탐지하는 경향이 있었으며, 반대로 더 높은 민감도로 확립된 Pfam 도메인을 탐지하는 경향이 있었다. 이 효과는 특히 미생물의 염기서열 분석 깊이가 감소하여 참조 기반 프로파일링에 비해 조립의 민감도가 제한되었던 전두엽 부위에서 두드러졌다. 외부 데이터 세트에 비해 총 비중복 유전자 클러스터는 대변에서 MetaHIT와 유사했다. 기존의 촉촉한 피부 부위 메타 유전체에 비해 HMP1-II는 780% 증가했다. 그러나, 이 연구에서 수천 개의 깊이 배열된 인간 마이크로바이옴을 가지고 있음에도 불구하고, 미생물 유전자 패밀리 공간은 6개의 신체 부위 중 어느 곳에도 아직 포화되지 않았다.

과학자들의 연구 결론

여기서 과학자들은 현재까지 알려진 인간 마이크로바이옴의 가장 큰 신체 전체 메타 유전체 프로파일을 제공하고 분석한다. 연관된 심층, 세로 산탄총 시퀀싱은 개인화된 마이크로바이옴의 새로운 측면에 대한 광범위한 특성화를 가능하게 했다. 새로운 균주 프로파일링 기술은 여러 종에 대해 시간적으로 안정적인 아종 개체군 구조를 구별했으며, 일부는 개인에게 고유한 개체군 구조이고 다른 일부는 특정 신체 부위와 관련이 있다. 격리된 유전체에서 인간 마이크로바이옴 균주 다양성이 과소 표현된 종을 식별하여 격리 및 염기서열 분석을 위해 우선순위를 정했다. 새로운 분류학적 프로파일링은 세균의 풍부함과 여러 고균, 진핵생물, 바이러스 사이의 동시 발생 패턴을 해결했다. 새로운 기능적 프로파일링 방법 24는 인체의 미생물 군집에 필요한 경로를 식별하여 인간 서식지를 위해 풍부한 경로를 보편적 경로에서 미생물 생명체로 구분했다. 가우스 프로세스 모델은 시간에 따른 미생물 및 기능적 변화를 특징짓고, 다른 사이트에 비해 장 공동체의 구성이 매우 개인화된 것으로 식별했다. 이 예는 장 박테로이데스/펌리케이트 균형의 균형이 개인의 장 마이크로바이옴의 정의 속성이 아닐 수 있음을 암시한다. 인간 마이크로바이옴의 많은 주요 특성은 질병에 대한 마이크로바이옴 기여 외에도 건강한 코호트에서도 특징지어질 수 있다. 여기서 확인된 아종 구조의 기능적 기원과 결과를 결정하기 위해서는 추가적인 조사가 필요할 것이다. 이러한 구조는 지리, 유전적 배경, 민족, 환경 등의 변화를 포함하여 인구 전반에 걸쳐 포괄적으로 조사되어야 한다. 특히, 이 연구의 증거는 광범위한 유전자 샘플링을 가진 비교적 균질한 개체군에서도 현존하는 미생물 유전자의 완전한 보완이 아직 서열화되지 않았음을 시사한다. 마찬가지로, 메타데이터와 미생물 특징 사이의 업데이트된 공변량 분석 결과 몇 가지 새로운 연관성이 밝혀졌지만, 마이크로바이옴의 대부분의 변화는 측정된 공변량으로 설명되지 않는다. 예를 들어, HMP1-II는 이동 시간, 면역 상태, 또는 참가자들의 자세한 식단과 약력 등을 측정하지 않아, 이러한 중요한 요소들을 평가하는 과학자들의 능력을 제한했다. 마지막으로, 미생물 공동체의 역학과 반응에 대한 과학자들의 이해는 여기서 기술 모델로부터 급성 섭동의 빠른 효과를 포함하도록 확장되어야 한다. 이를 위해, 여기서 사용되는 세 가지 시점을 넘어 제어된 섭동이 있는 경우 더 길고 더 촘촘하게 샘플링된 시간 코스를 가진 연구가 필요할 것이다. 따라서 이상 생물성 마이크로바이옴을 합리적으로 복구하기 위해서는 인간 건강에서 개인화된 마이크로바이옴에 대한 이해를 심화시킬 필요가 있다.