על ידי ניתוח רשתות שפע משותף ב-938 מבוגרים בריאים, מדענים גילו כיצד גורמי אורח חיים חוטים מחדש בעדינות את יחסי החיידקים במעיים, ומציעים דרך חזקה יותר לחזות תכונות בריאותיות מאשר מודלים מבוססי שפע.
מחקר: אינטראקציות בין-משפחתיות לגיל, מין, עישון ו-BMI. קרדיט תמונה: Christoph Burgstedt / Shutterstock
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת ביולוגיה של תקשורתחוקרים חקרו גורמים סביבתיים הקשורים לשפע משותף במיקרוביום המעי האנושי.
המורכבות של המערכת האקולוגית של מיקרוביום המעיים
גוף הולך וגדל של מחקרים תיאר תכונות הקשורות להרכב המיקרוביום של המעי בבריאות ובמחלות. חלק מהמאפיינים הבולטים כוללים מין, גיל, גנטיקה של המארח ותזונה. עם זאת, קשה לאפיין היבטים מסוימים של הקשר המארח-מיקרוביום. המיקרוביום של המעי הוא מערכת אקולוגית מורכבת, ומרכיביה יוצרים תת-קהילות באמצעות אינטראקציות בין טקסיות.
שפע משותף וקישוריות פונקציונלית
תת-קהילות מפגינות שפע משותף כשהן פועלות יחד כקבוצה פונקציונלית קוהרנטית או מנצלות את אותם משאבים מהסביבה המקומית. חקירת השפע המשותף של טקסות והקישוריות בתוך המיקרוביום יכולה לעזור לזהות מאפיינים שגישות חד-משתניות יחמיצו אחרת. עם זאת, אין שיטת תקן זהב לבדיקת גורמים הקשורים לשינויים בשכיחות חיידקים בין פרטים בתוך אוכלוסייה.
שיטת MANOCCA לניתוח שפע משותף
במחקר הנוכחי, חוקרים אפיינו קשרים בין גורמים סביבתיים ושינויים ברשת השפע השיתוף של המיקרוביום. ראשית, נעשה שימוש בניתוח רב-משתני של ניתוח שיתופיות מותנית (MANOCCA) כדי לחקור את הקשרים בין 80 גורמים סביבתיים (תכונות מארח) לבין שפע שיתוף טקסים ברמת המשפחה, הסוג והמין באמצעות נתונים מ-938 משתתפים בריאים.
אסוציאציות בין תכונות המארח לבין שפע משותף
שיטה חדשה זו התייחסה למגבלות עיקריות של גישות קודמות על ידי תמיכה במנבאים מתמשכים וקטגוריים כאחד, המאפשרת התאמת משתנים משתנים, ומתן מסגרת סטטיסטית פורמלית לשפע משותף ברמת הפרט.
MANOCCA היא גישה מבוססת שיתופיות המאפשרת בדיקה סטטיסטית פורמלית של קשרים בין שיתופיות של טקסונים וכל מנבא, ופותחה כדי לתת מענה למגבלות הנוכחיות.
נתונים על תכונות המארח נאספו בקו הבסיס וכללו נתונים דמוגרפיים, היסטוריה רפואית, הרגלי תזונה וסמנים ביולוגיים. MANOCCA חשפה קשרים משמעותיים עם מין, גיל ועישון בכל שלוש הרמות הטקסונומיות ואינדקס מסת הגוף (BMI) ברמת הסוג.
מבנה רשת ואינטראקציות בין סוגים
יש לציין כי אסוציאציות עם שפע משותף של טקסות הועשרו לתכונות תזונתיות, מה שמצביע על השפעה צנועה אך שיטתית של הדיאטה על רשת האינטראקציה הטקסית.
לאחר מכן, הצוות הסיק משקלי תרומה עבור מין, גיל, BMIואותות עישון, תוך ציון שלרוב הטסים היו תרומות לא אפס והטרוגניות מהותית לאגודה.
משקלי ה-MANOCCA הושוו כנגד אסוציאציות ממוצעות של אפקט p-ערך חד-משתני שנגזרו מרגרסיה ליניארית סטנדרטית. זה חשף מתאם חיובי משמעותי בין שתי התוצאות עבור עישון, BMIגיל ומין, המצביעים על השפעה כפולה על השפע והשפע המשותף של סוגים רבים.
ליבה של כ-200 סוגים הושפעה באופן שיטתי בכל ארבעת הגורמים, מה שמצביע על תפקיד מרכזי במבנה הרשת. לאחר מכן, הצוות ניתח את המאפיינים של 5% הזוגות המובילים מהסוגים התורמים הכי הרבה לשונות של שפע משותף ברמת המשפחה. מבין 151 משפחות, 10, 8, 11 ו-7 קבוצות חופפות של משפחות כיסו ≥ 50% מהסוגים התורמים המובילים לגיל, מין, עישון ו BMIבהתאמה.
משפחות המפתח כללו Lachnospiraceae, Bacteroidaceae, Ruminococcaceae, Acutalibacteraceaeו Oscillospiraceaeעם משפחות נדירות כגון Eggerthellaceae, Peptostreptococcaceaeו Muribaculaceae. יש לציין, Bacteroidaceae היו מיוצגים בחסר בשינויי שפע משותפים, ואילו Oscillospiraceae הושפעו מאוד, במיוחד ביחס ל BMI.
הניתוח זיהה גם ארבע קבוצות של שפע משותף (CAG-74, CAG-508, CAG-272 ו-CAG-138) שתרמו לאות.
אינטראקציות בין-משפחתיות לגיל, מין, עישון ו-BMI. עבור ארבעת המאפיינים המקושרים המובילים מה-MANOCCA (גיל, מין, BMI ועישון), חילצנו את 1000 זוגות התורמים המובילים של סוגים מתוך 259,560 המוצרים הכוללים והפקנו את כיוון ההשפעה של כל מנבא על צמד השפע המשותף. שרטטנו את דיאגרמת Venn של זוגות משותפים בין כל תכונה ב- (א) והחפיפה בטקסה ב (ב). ב (ג), אנו מראים את התפלגות כיוון ההשפעות לפי מנבא, ולגיל – עישון ומין – צמתים BMI. לאחר מכן השתמשנו בצמדי התכונות כדי לגזור רשת של השינויים בקורלציה ביחס לכל מנבא. גודל הצומת, המייצג סוג, הוא פרופורציונלי למספר התרומות שלו עם סוגים אחרים, והקצוות מקשרים בין הזוגות התורמים העליון. צבעי הקצוות מציינים את כיוון ההשפעה כאשר ירוק מציין שעלייה של המנבא מונעת עלייה ב-co-abundance, אדום מראה שעלייה של המנבא מניעה הפחתה ב-co-abundance ושחור מצביע על כיוון מעורב של השפעה עבור המנבאים החופפים. הצבע של כל צומת תלוי באופן שבו הוא משותף בין ארבעת המנבאים, ועוקב אחר המבנה של (ב, ג) דיאגרמות Venn. לוח (ד) מציג את מספר הקצוות הכלולים במנבא בודד (גיל, מין, BMI, עישון) ולפי מנבאים חופפים (גיל ועישון, מין ו-BMI), כאשר באדום הקצוות של שפע שיתוף מופחת ובירוק שפע שיתוף מוגבר. קצוות אפורים מציינים כיוון מעורב של אפקטים עבור המנבאים החופפים. במיוחד עבור החפיפה בין סקס ל-BMI, האזור המגובש מייצג קצוות לקראת שפע משותף למין וירידה בשפע משותף עבור BMI. לעומת זאת, החלק האפור מכסה ירידה עבור סקס אך עלייה עבור BMI.
ביצועים חזויים ומסקנות מחקר
לאחר מכן, הצוות יצר רשת של וריאציה של שפע משותף מ-1,000 זוגות הסוג המובילים שתורמים לאות האסוציאציה של MANOCCA. בסך הכל, 4,000 זוגות הקיפו 476 סוגים ייחודיים.
יש לציין שהחוקרים ראו חפיפה משמעותית בזוגות של מסות בשפע שהושפעו משתיהן BMI ומין (658 זוגות משותפים), וכן לפי עישון וגיל (306 זוגות משותפים). עישון מוגבר וגיל היו קשורים בעיקר לירידה בשפע המשותף, בעוד ששיעור גבוה יותר BMI היה קשור לעלייה.
סקס הראה דפוס מעורב. לְדוּגמָה, Bacteroides A הציג שפע שיתוף מופחת עם טקסיות ליבה רבות במעשנים, למרות שאין קשר בשפע יחסי, הממחיש כיצד ניתוח שיתוף פעולה יכול לזהות שינויים באינטראקציה שהחמיצו בשיטות מסורתיות מבוססות שפע. לבסוף, הצוות העריך את הדיוק של MANOCCA בניבוי התכונות הקשורות ביותר (BMIעישון, גיל ומין) תוך שימוש בטקסים ברמת המשפחה, הסוג והמין.
הדיוק נקבע באמצעות השטח שמתחת לעקומת המאפיין ההפעלה של המקלט ומתאם בריבוע (r²) עבור תוצאות בינאריות ורציפות, בהתאמה. מודל החיזוי מבוסס השונות הושווה למודל ליניארי סטנדרטי המבוסס על שפע יחסי. הצוות ציין כי MANOCCA עמדה בביצועים טובים יותר והייתה מדויקת משמעותית מהדגם הסטנדרטי.
הרווח בחיזוי היה גדול באופן משמעותי עבור הגיל, עם ערכי r²(גיל) חציוניים של 0.18 (משפחה), 0.25 (סוג) ו-0.27 (מינים) עבור מודלים של MANOCCA, המייצגים שיפור פי שלושה לעומת מודלים מבוססי שפע.
הערכות r²(גיל) המקבילות מהמודל הסטנדרטי היו 0.05, 0.07 ו-0.10, בהתאמה. התחזית הייתה גבוהה יותר באופן משמעותי עבור מין בכל הרמות הטקסונומיות עבור MANOCCA.
השלכות רחבות יותר ויישומים עתידיים
לסיכום, המחקר בדק את הקשרים בין מאפייני המארח וההתרחשות המשותפת של מיקרוביום המעי באנשים בריאים. MANOCCA חשפה קשרים מובהקים בין השונות בשפע המשותף של הטסים לבין גיל, מין, BMIועישון.
רשת הזנים התורמים המובילים חשפה ששונות האינטראקציה הוגבלה למספר קטן של משפחות. השונות של שפע משותף התרכזה במספר מצומצם של משפחות, כאשר אינטראקציות בין משפחות שולטות במידה רבה על פני קישורים בתוך משפחה. יתרה מכך, אינטראקציות נצפו בעיקר בין סוגים של משפחות שונות, ולא בתוך אותה משפחה.
ניתן להשתמש במסגרת MANOCCA גם לפיתוח מודלים חזויים. כוח הניבוי של מודלים מבוססי שפע שיתוף הייתה גבוהה משמעותית מזו של מודל מבוסס שפע סטנדרטי עבור כל התכונות. עם זאת, המחברים ציינו כי שיטת MANOCCA דורשת דגימות בגדלים גדולים (בדרך כלל מעל 100 משתתפים) ואינה מדגמנת במפורש את האופי ההרכבי של נתוני מיקרוביום, אשר יש לשכלל בעבודה עתידית.
