Biologia sistemelor metagenomice a microbiomului intestinal uman relevă schimbări topologice asociate cu
Editat * de Jeffrey I. Gordon, Facultatea de Medicină a Universității Washington din St. Louis, St. Louis, MO și aprobat la 15 noiembrie 2011 (primit pentru examinare 3 octombrie 2011)
Abstract
Aici, introducem un cadru unic pentru studierea microbiomului uman, integrând datele metagenomice cu o analiză a rețelei la nivel de sistem. Această abordare a biologiei sistemelor metagenomice depășește analiza comparativă tradițională, plasând datele metagenomice ale pistolului în contextul rețelelor metabolice la nivel comunitar. Compararea proprietăților topologice ale enzimelor din aceste rețele cu abundența lor în diferite probe metagenomice și examinarea caracteristicilor topologice la nivel de sistem ale microbiomilor asociați cu diferite stări gazdă ne permit să obținem o perspectivă asupra variației capacității metabolice. Această abordare extinde viziunea metagenomică centrată pe genă luând în considerare nu numai setul de gene prezente într-un microbiom, ci și rețeaua complexă de interacțiuni dintre aceste gene și tratând microbiomul ca un singur sistem biologic „independent” (18).
Metodele de biologie a sistemelor computaționale și analizele complexe de rețea au fost aplicate pe scară largă pentru a studia microorganismele și s-au dezvoltat o varietate de abordări pentru a crea rețele metabolice la scară genomică a diferitelor specii microbiene (19-21). În acest studiu, ne concentrăm pe rețele simple centrate pe conectivitate, care sunt derivate din calcul din baze de date metabolice pe scară largă bazate pe omologie (22), împreună cu o analiză topologică. Aceste rețele formează o simplificare a căilor metabolice reale care stau la baza lor și pot fi relativ inexacte și zgomotoase. Cu toate acestea, analiza bazată pe topologie a unor astfel de rețele a condus puternic pentru studierea caracteristicilor rețelelor metabolice cu o singură specie și impactul acestora asupra diferitelor proprietăți funcționale și evolutive, inclusiv scalarea (23), funcționalitatea și reglarea metabolică (24, 25), modularitatea 26, 27), esențialitate și viabilitate mutantă (28), robustețe genetică și de mediu (29), adaptare (30, 31) și interacțiunea speciilor (32). Până în prezent, însă, analiza topologică nu a fost utilizată pentru a examina rețelele metabolice la nivel de comunitate și pentru a studia metabolismul la scară metagenomică.
Rezultate
Seturi de date.
Au fost analizate datele metagenomice ale pistolului derivate din iluminina de la 124 de indivizi danezi și spanioli fără legătură (3). Dintre cei 124 de indivizi, 82 au fost etichetați ca slabi/supraponderali [indicele de masă corporală (IMC) −12), printre alte procese (anexa SI, tabelul S4).
Conectarea enzimelor asociate statului gazdă la centralitate.
Folosind rețeaua comunitară descrisă mai sus, am examinat dacă enzimele care sunt asociate cu o anumită stare gazdă prezintă caracteristici topologice unice. Mai întâi ne-am concentrat pe o măsură de centralitate derivată topologic numită centralitate între 25 (25). Această măsură calculează proporția celor mai scurte căi dintr-o rețea complexă care trec printr-un nod dat, ca un proxy pentru locația nodului în raport cu toate celelalte noduri (Anexa SI, Fig. S2B). Valorile de centralitate ridicate sunt de obicei asociate cu noduri situate în centrul rețelei, în timp ce valorile de centralitate scăzute indică o locație mai periferică.
(A) Media și SE ale scorurilor de centralitate ale enzimelor asociate obezității vs. toate celelalte enzime din rețea. Enzimele asociate obezității sunt împărțite în continuare în enzime care sunt îmbogățite sau epuizate în microbiomi obezi. (B) Proporția de enzime care sunt asociate cu obezitatea (graficul principal) și IBD (Inset) în cadrul a trei niveluri de rețea bazate pe centralitate la fel de populate. Fiecare diagramă concentrică reprezentă procentul de enzime dintr-un anumit nivel de centralitate care sunt clasificate ca îmbogățite sau epuizate. Enzimele asociate cu obezitatea sau IBD se găsesc în proporții semnificativ mai mari în nivelul periferic (P −6 [obezitate], P −5 [IBD]; Test de îmbogățire hipergeometrică). Acest rezultat continuă să se ia în considerare criterii alternative sau mai stricte pentru asocierea cu statul gazdă (Anexa SI).
Interesant, un model similar este observat în enzimele asociate cu IBD. Scorul de abundență diferențială al unei enzime în IBD este corelat negativ cu centralitatea sa (R = -0,15, P-9, testul de corelație Spearman), iar scorurile de centralitate ale enzimelor asociate IBD sunt semnificativ mai mici decât scorurile de centralitate ale enzimelor care nu sunt asociate cu IBD. (P −6, testul sumei de rang Wilcoxon; P −4, testul sumei de rang Wilcoxon) și gradul inferior (P −6, testul sumei de rang Wilcoxon) comparativ cu non-semințe și că astfel de semințe de rețea sunt supra-reprezentate între enzime asociate obezității și IBD [P −4 (obezitate) și P −3 (IBD); mai multe detalii sunt furnizate în anexa SI].
Media și SE ale coeficientului de grupare (A) și în grad (B) ale enzimelor îmbogățite (roșu; n = 170), epuizate (verde; n = 180) și ale altor enzime (gri; n = 1213) din microbiomii obezi. Coeficientul de grupare este definit ca raportul dintre numărul total de margini care leagă vecinii unui nod și numărul potențial de margini care ar putea exista între ele. În grad denotă numărul de muchii care se termină la un nod. (C) Media și SE ale scorurilor diferențiale de abundență ale semințelor vs. enzime non-semințe.
Conectarea variației topologice la compoziția speciilor comunitare.
Conectarea stării gazdă la proprietățile topologice la nivel de rețea.
Modularitatea rețelelor metabolice specifice statului gazdă. (A) Analiza rarității modularității microbiomilor grupați slab-sănătoși, obezi-sănătoși și IBD-slabi. Graficul descrie media (linii solide) și SD (linii punctate) a cinci runde de analiză de rarefacție, obținute prin calcularea modularității rețelelor derivate din seturi de citiri selectate aleatoriu progresiv mai mici. (B) Diferența dintre modularitatea rețelei specifice obezului și a rețelei sănătoase - specifice este reprezentată grafic (linie albastră întreruptă) față de o distribuție nulă a diferențelor obținute prin gruparea aleatorie a probelor (mai multe detalii sunt furnizate în apendicele SI). Diferența de modularitate observată este semnificativ mai mare decât diferența așteptată conform acestei distribuții nule.