Asociaciones genéticas humanas del microbioma de las vías respiratorias en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica

Resumen

Se sabe poco sobre las relaciones entre la genética humana y el microbioma de las vías respiratorias. La metagenómica de las vías respiratorias profundamente secuenciada, al caracterizar simultáneamente el microbioma y la genética del huésped, brinda una oportunidad única para evaluar las asociaciones genéticas del microbioma y el huésped. Aquí realizamos un perfil conjunto del microbioma y la genética del huésped con la identificación de más de 5 millones de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) mediante una secuenciación metagenómica profunda en el esputo de 99 personas con enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y 36 individuos sanos. La variación genética del huésped fue el factor más significativo asociado con el microbioma, excepto la geografía y el estado de la enfermedad, y sus 5 componentes principales principales representan el 12,11% de la variabilidad del microbioma. Dentro de los individuos con EPOC, 113 SNP asignados a genes candidatos reportados como genéticamente asociados con la EPOC exhibieron asociaciones con 29 especies microbianas y 48 módulos funcionales.PAG <1 × 10−5), dónde Estreptococo salivario exhibe la asociación más fuerte con SNP rs6917641 en TBC1D32(PAG = 9,54 × 10−8). La integración de datos transcriptómicos concurrentes del huésped identificó correlaciones entre la expresión de los genes del huésped y sus características del microbioma genéticamente ligadas, incluyendo NUDT1, MAD1L1 y Veillonella pequeña, TTLL9 y estenotrofomona maltofilay LTA4H y Haemophilus influenzae. Los análisis de aleatorización mendeliana revelaron un posible vínculo causal entre PARQUE7 expresión y sistema de secreción microbiana tipo III, y una asociación mediada genéticamente entre la EPOC y una mayor abundancia relativa de vías respiratorias Estreptococo intermedio . Estos resultados sugieren un papel previamente subestimado de la genética del huésped en la configuración del microbioma de las vías respiratorias y proporcionan nuevas hipótesis sobre las interacciones genéticas entre el huésped y el microbioma en la EPOC.

Introducción

La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) es una de las principales causas de morbilidad y mortalidad en todo el mundo y se manifiesta por una inflamación persistente de las vías respiratorias que conduce a una limitación irreversible del flujo de aire y a un deterioro de la función pulmonar.1,2,3). La variación genética humana está implicada en la EPOC, con la deficiencia de alfa-1 antitripsina causada por variantes genéticas raras en SERPRINA1 siendo la anomalía genética mejor descrita en la actualidad y representa del 1 al 2% de los individuos con EPOC (4). Estudios recientes de asociación de genoma completo (GWAS) han revelado loci genéticos adicionales asociados con la función pulmonar.5, 6), proporcionando información sobre la base genética de la EPOC. A través del metanálisis GWAS de función pulmonar de ascendencia múltiple más grande hasta ahora, que comprende 588.452 individuos, Shrine et al. identificó 1020 asociaciones genéticas de 559 genes enriquecidos en 29 vías, delineando un panorama integral de variantes, genes, proteínas y vías genéticamente implicadas en la EPOC.6.

La creciente evidencia ha revelado un ecosistema microbiano o microbioma diverso de las vías respiratorias asociado con las características de la EPOC (7,8,9,10,11,12). El microbioma de las vías respiratorias interactúa con la respuesta del huésped, cuya alteración contribuye a la patogénesis de la EPOC.13,14,15). Se han aplicado cada vez más enfoques multiómicos para caracterizar las interacciones entre el microbioma de las vías respiratorias y la respuesta del huésped en la EPOC. Al caracterizar el microbioma basado en el gen 16S rRNA y el transcriptoma del huésped en 574 individuos con EPOC, Ramsheh et al. asociación identificada entre el aumento moraxellaencima Prevotella y regulación positiva de genes proinflamatorios sobre genes que promueven la defensa epitelial (dieciséis). Mediante el análisis de datos metabolómicos y microbiomas emparejados en la EPOC en etapa más leve, Madapoosi et al. mostró características combinadas de microbioma y metaboloma en asociación con la función pulmonar y los síntomas clínicos (17). Además de factores ambientales como el tabaquismo y el uso de medicamentos que impactan el microbioma (18), la variación genética del huésped puede ser un factor inherente que da forma a la comunidad microbiana individualizada (19,20,21,22,23,24,25,26). A pesar de la evidencia que muestra una asociación genética humana de la microbiota en sitios del cuerpo como el intestino y la cavidad bucal (26, 27), existe escasez de conocimiento sobre si el microbioma de las vías respiratorias está asociado con la genética humana y cómo las interacciones genético-microbioma pueden estar implicadas en la EPOC.

La metagenómica se ha aplicado cada vez más a la caracterización del microbioma de las vías respiratorias con su capacidad para dilucidar los potenciales funcionales microbianos. A través de la secuenciación del metagenoma y el metatranscriptoma de las vías respiratorias superiores e inferiores de personas con EPOC, Sulaiman et al. demostró que el enriquecimiento de los comensales orales en las vías respiratorias inferiores de la EPOC se asocia con una regulación positiva de los marcadores de inflamación y tumorigénesis (28). A través de una caracterización combinada de metagenoma, metaboloma, transcriptoma del huésped y proteoma de 99 personas con EPOC y 36 individuos sanos, nuestro estudio anterior ha revelado el papel de lactobacilo-Metabolismo impulsado por triptófano y ácido indol-acético, cuyo agotamiento da como resultado un aumento de la inflamación neutrofílica a través de la señalización de IL-22 (13). En comparación con el microbioma intestinal, la proporción predominantemente alta de huésped-microbio en las muestras de las vías respiratorias plantea un desafío único para obtener suficiente información para la microbiota, lo que a menudo requiere una estrategia de secuenciación profunda para lograr una cobertura microbiana adecuada después de excluir la mayor parte de las lecturas del huésped humano. . Sin embargo, esta limitación puede ir acompañada de un beneficio, ya que la mayor parte de las lecturas humanas, que se descartaron durante el análisis del microbioma como práctica común, se pueden reciclar para obtener información concurrente sobre las variaciones genéticas humanas. En este sentido, la co-caracterización de la información genética microbiana-huésped a través de la metagenómica de las vías respiratorias podría abrir una oportunidad única para evaluar la asociación entre el microbioma de las vías respiratorias y la genética del huésped.

Aquí, planteamos la hipótesis de que la variación genética del huésped puede estar asociada con la diversidad y las características taxonómicas y funcionales del microbioma de las vías respiratorias en la EPOC, y dichas asociaciones genéticas microbioma-huésped pueden capturarse mediante datos metagenómicos de las vías respiratorias. Al volver a analizar los metagenomas de esputo profundamente secuenciados de 99 individuos con EPOC y 36 controles sanos (> = secuencias 30G por muestra) de nuestro estudio anterior (13), evaluamos las asociaciones entre las variaciones genéticas del huésped y el microbioma de las vías respiratorias en la EPOC (Tabla S1Higo. 1). Primero identificamos las asociaciones entre los polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) del huésped y las características taxonómicas y funcionales del microbioma. A través del análisis integrativo con perfiles transcriptómicos concurrentes del huésped, identificamos las asociaciones genéticas microbioma-hospedador que estaban aún más vinculadas transcripcionalmente. Luego empleamos un análisis de aleatorización mendeliano basado en resumen para identificar genes del huésped que exhiben una posible asociación causal con el microbioma, seguido de un análisis de aleatorización mendeliano bidireccional de dos muestras para refinar las asociaciones causales entre el microbioma y la genética del huésped. En conjunto, estos resultados demuestran la posibilidad de analizar las asociaciones genéticas del microbioma de las vías respiratorias y el huésped a través de una metagenómica profunda, proporcionando evidencia de variaciones genéticas del huésped que pueden influir en el microbioma de las vías respiratorias en la EPOC.

Figura 1

El flujo de trabajo general que integra la metagenómica de las vías respiratorias y la transcriptómica del huésped para dilucidar las asociaciones genéticas entre el microbioma y el huésped de las vías respiratorias en la EPOC. Se muestran 1) las principales hipótesis que se probarán en el estudio, 2) el procedimiento detallado de cada paso del análisis, 3) las estadísticas resumidas de cada paso y 4) las posibles asociaciones de interés microbioma-huésped más prometedoras encontradas en cada paso.

Resultados

Variaciones genéticas del huésped obtenidas a partir de datos metagenómicos de las vías respiratorias.

Los datos de secuenciación metagenómica arrojaron un promedio de 1,83 × 108 lecturas de alta calidad por muestra, de las cuales una proporción promedio del 91,6% son lecturas del huésped humano (cobertura promedio de ~ 8,4 veces del genoma humano) y sujetas a llamadas de SNP (Fig. S1a). Se generó un conjunto de 5.471.650 SNP de alta calidad. Dos de las 135 muestras fueron valores atípicos en el análisis de componentes principales y se excluyeron de los análisis posteriores (Fig. S1b), probablemente debido a su tasa de falta de SNP marcadamente mayor en comparación con las muestras restantes (ver Métodos, Fig. S1C). El gráfico de densidad mostró una distribución uniforme de los SNP en 22 autosomas sin preferencias regionales claras (Fig. S1d). Al trazar el número de SNP en función del número de individuos que comparten un SNP29observamos una rápida tendencia a la disminución del número de SNP con el aumento de individuos que comparten un SNP (Fig. S2), lo que indica una variabilidad genética razonable entre los individuos de nuestra cohorte. Las variantes comunes (frecuencia de alelo menor > 0,05) se asociaron con la medición de la función pulmonar (FEV1/FVC) tanto entre todos los individuos (norte= 133) y dentro de los pacientes con EPOC (norte = 97) utilizando un modelo lineal mixto. Entre todos los individuos, se identificaron 60 SNP asociados con el FEV1/FVC que involucra 10 loci genómicos asignados a 6 genes (PAG<1 × 10−5como significado sugerente, Tabla S2). Dentro de los individuos con EPOC, se identificaron 73 SNP asociados con el FEV1/FVC que involucra 14 loci genéticos mapeados en 5 genes (Fig. 2a, tabla S2). La anotación de estos 5 genes en bases de datos funcionales existentes (Open Targets Genetics, GWAS Catalog y GWASATLAS) reveló dos genes (AGPSy PTGDR) como genéticamente asociado con la función pulmonar (29).

Figura 2
Figura 2

Las relaciones entre la genética del huésped y la diversidad microbiana de las vías respiratorias. a Gráficos de Manhattan de variantes genéticas del huésped asociadas con la función pulmonar en pacientes con EPOC. La línea roja representa la PAG-valor de 1,0 × 10−5. Dos loci con significado de asociación genética por encima de este umbral y previamente identificados como asociados con la EPOC se marcaron con sus nombres genéticos (AGPSy PTGDR). b Gráficos de barras para las asociaciones de la genética del huésped y otras variables demográficas y clínicas con el microbioma de las vías respiratorias en todas las muestras y dentro de la EPOC o de individuos sanos como…

Truncado en 10000 caracteresTraducido automáticamente
Publicación Original

¿Quieres recibir semanalmente y gratuitamente todos los contenidos de Fisio One?

Artículos relacionados