Zapewne każdy z nas słyszał już o mikrobiocie, bakteriach, które zasiedlają nasze organizmy. Fageota, bądź fageom jeśli mówimy o zbiorze sekwencji nukleotydowych, to kluczowy element naszej mikrobioty, chociaż nadal słabo poznany. Czym właściwie jest fageom, co o nim już wiemy i dlaczego informacje o nim są istotne? O tym dowiesz się w poniższym artykule.

Mikrobiom jelitowy człowieka

Mikrobiom jelitowy to zróżnicowany ekosystem składający się z bakterii, archeonów, wirusów i eukariontów, które głównie znajdują się w jelicie grubym. Mimo tej złożoności bakterie stanowią zdecydowaną większość mikrobiomu: około 93%, co nie umniejsza innym mikroorganizmom, które są nam potrzebne. Mikrobiom wirusowy stanowi około 5,8% [1].

Patrząc na wagę, jaką bakterie zajmują w naszych jelitach jest to około 200 g, a ilościowo jest to 38 x 10¹³ komórek bakteryjnych [2]. Przyjmuje się, że liczba cząsteczek wirusowych na 1 gram kału wynosi od 10⁹ – 10¹⁰ [3]. Wiriom jelitowy człowieka stanowią w głównej części bakteriofagi, które stanowią około 97,7% i to na nich się dziś skupimy, ale należy pamiętać, że tworzą go także wirusy eukariotyczne (2,1%) oraz wirusy archeonów (0,1%) [4].

Dlaczego znajomość naszego fageomu jest tak istotna? Z punktu widzenia bezpieczeństwa oraz rozwoju terapii fagowej poznanie naszego fageomu pozwoli nam na efektywne dobieranie terapii fagowej. Pozwoli nam zrozumieć wpływ fagów na nasz organizm, np. na nasze tendencje żywieniowe, a tym samym dowiemy się jak o niego zadbać.

Skład i struktura fageomu jelitowego

Fageom jelitowy obejmuje zróżnicowane grupy wirusów. Zaobserwować tam można każdy rodzaj materiału genetycznego: dsDNA, ssDNA, dsRNA i ssRNA. Zdecydowanie widać jednak dominację fagów z dsDNA.

Do najważniejszych grup wirusów należą tu:

• Klasa Caudoviricetes (fagi z dsDNA), gdzie według taksonomii znanej sprzed 2021 znane są jako rząd Caudovirales – jest to grupa dominująca, którą można podzielić według morfologii na:
  • Siphoviridae (charakteryzują się długim, niekurczliwym ogonkiem),
  • Myoviridae (mają długi, kurczliwy ogonek),
  • Podoviridae (mają bardzo krótki ogonek).
• Rodzina Microviridae (fagi z ssDNA) – druga bardzo ważna grupa [1, 3, 4].

Na szczególną uwagę zasługuje tu bakteriofag CrAss, jako najbardziej powszechnie występujący wirus w ludzkich jelitach, bo stanowi on aż 90% wiriomu. Bakteriofag CrAss został odkryty w 2014 roku. Jego genom składa się z dsDNA i ma wielkość około 100 kb (kilo par zasad). Fag ten prawdopodobnie infekuje głównie bakterie Bacteroides spp. Początkowo naukowcy nie zidentyfikowali żadnego podobnego bakteriofaga. Z upływem lat udało się znaleźć fagi podobne do faga CrAss. W 2018 roku grupa naukowców zidentyfikowała 249 takich fagów, które zebrano z 702 fageomów pochodzących z ludzkiego kału. Warto dodać, że genomy fagów podobnych do CrAss są nawet większe i oscylują w okolicy 145 do 192 kb [4].

Jako ciekawostkę dodam, że faga CrAss coraz częściej postrzega się jako dobry indykator wykrycia ludzkich odchodów w wodzie (np. w rzekach), czy ściekach, jako, że ten bakteriofag jest specyficzny dla ludzkiego mikrobiomu i niezwykle rzadko znajduje się go w odchodach zwierząt [6, 7].

Rozmieszczenie fageomu w jelicie

Bakteriofagi znajdują się głównie tam, gdzie bakterie, a więc zdecydowaną większość można znaleźć w jelicie grubym. Rozmieszczenie fagów w jelicie jest pokazane na Rycinie 2 i dotyczy ono jelit naczlenych. Fagi, jakie dominująco występują w danym odcinku jelita porównywano do końcowego odcinka jelita krętego. W odcinku jelita wstępującego najliczniej występują fagi Siphoviridae, Myoviridae i Microviridae. W odcinku zstęującym były to fagi Siphoviridae i Microviridae a w odbytnicy najliczniej występowały fagi Microviridae. Powyższy opis dotyczy osi wertykalnej jelita, a można jeszcze zobaczyć jak wiele fagów występuje w danej części osi horyzontalnej jelita [4].

Oś horyzontalną jelita tworzą błona śluzowa i światło jelita. Gęstość rozmieszczenia fagów została zilustrowana na Rycinie 3. W warstwie śluzu koło nabłonka występuje sporo fagów i są to głównie fagi lityczne. Fag jest skoncentrowany w warstwie śluzu, ponieważ dochodzi do oddziaływań pomiędzy glikoproteinami pochodzącymi z mucyny a domenami białkowymi z powierzchni kapsydu, które przypominają immunoglobulinę. Warto dodać, że w warstwie śluzu też występuje więcej bakterii. Natomiast w świetle jelita, bakteriofagów jest więcej (tu z kolei bakterii jest niewiele), a szacuje się, że cząsteczek fagowych jest około 2 rzędy wielości więcej niż tych obecnych w warstwie śluzu. Głównie można się tam spodziewać fagów lizogenizujących, a w zasadzie fagów utemperowanych (przechodzą cykl lityczny, bądź lizogeniczny, w zależności od warunków).

Wiek a skład fageomu

Tak samo jak skład mikrobiomu, tak i skład fageomu zmienia się wraz z wiekiem. U noworodków fagów praktycznie nie ma, ale po narodzinach następuje bardzo szybki wzrost w ich ilości. Po pierwszym tygodniu życia u noworodków znacząco wzrasta ilość fagów a już w pierwszym miesiącu życia osiąga nawet miliard (ilość cząsteczek wirusa w 1 g kału), co odpowiada ilości fagów bytujących u dorosłego człowieka. Głównie są to profagi indukowane przez wczesne bakterie pionierskie. Przed 4 miesiącem życia rośnie też ilość fagów litycznych.

Kompozycja fageomu u dzieci w głównej mierze wynika ze sposobu karmienia. Wykazano, że u dzieci karmionych piersią występuje więcej fagów utemperowanych (temperate phages) infekujących bakterie z rodzaju Bificifdobacterium i Lactobacillus. Jeśli chodzi o fagi typu crAss, to ich sekwencje są identyczne u matki i dziecka [1, 4].

Droga porodu też nie jest tutaj bez znaczenia. U noworodków urodzonych przez cesarskie cięcie w jelicie brakuje bakterii z rodzaju Bacteroides. Na dodatek u dzieci urodzonych tą drogą nie wykrywa się prototypowych fagów crAss, podczas gdy u dzieci rodzonych waginalnie one występują [4].

Proporcje fagów w fageomie zmieniają się przez całe życie, ale na poszczególnych etapach rozwoju pozostaje stabilny i indywidualny dla każdego. Obserwuje się, że u zdrowych dzieci fageom obejmuje w większości fagi utemperowane. Zauważa się także, że u starszych osób spada już ta różnorodność i można obserwować tendencję do spadku fagów z rzędu Caudoviricetes a wzrost rodzaju Microviridae [4].

Czynniki wpływające na skład fageomu

Na skład fageomu poza wiekiem ma także środowisko, dieta, czy choroby. Mówi się o tym, że etniczność i indywidualny organizm mają największy wpływ na wirom, który jest względnie stabilny i między 23 a 54 rokiem życia raczej nie ulega większym zmianom. Geografia i styl życia, dostęp do określonej żywności, zwyczaje żywieniowe kultur, to wszystko wlicza się o zróżnicowania w fageomie danej populacji.

W przypadku zmiany diety ze standardowej do bogatej w tłuszcze obserwuje się inne proporcje głównych rodzin fagów. W tej zmianie głównie obserwowało się wzrost rodziny Microviridae a spadek Siphoviridae [4].

W przypadku diety bogatej w fruktozę obserwuje się, że bakterie Lactobacillus reuteri metabolizując ją produkują metabolity takie jak kwas octowy, co prowadzi do indukcji profagów, których w jelitach pojawia się więcej. Lactobacillus reuteri to bakteria symbiotyczna, która występuje standardowo w naszych organizmach i metaboizuje tryptofan oraz przyczynia się do zapobiegania utraty kości u kobiet z niskim stężeniem minerałów w kościach [8].

Ponadto okazuje się, że w diecie bezglutenowej dochodzi do zmian na poziomie różnorodności gatunkowej. Zaobserwowano, że w przypadku diety bezglutenowej wzrasta ilość faga CrAss, a maleje Virgoviridae [4].

Wszelkie choroby także doprowadzają do zmian w fageomie. Na przykład choroby zapalne jelit prowadzą do zmniejszenia różnorodności wiromu i wzrotu fagów utemperowanych. W cukrzycy typu 2 także obserwuje się mniejszą różnorodność wiromu, ale za o zwiększoną ilością fagów [1, 4].

Znaczenie znajomości fageomu

Znajomość fageomu może służyć jako biomarker chorób, kolejne potrzebne narzędzie diagnostyczne. Możemy dzięki temu moduloać mikrobiom, np. poprzez transplantację, aby poprawić stan zdrowia pacjenta, czyli jest to metoda leczenia. Wcześniej już wspomniałam, że może służyć jako bioindykator kału ludzkiego w wodzie. Zastosowań jest wiele, więc dobre poznane tego środowiska jest kluczowe do dalszego rozwoju ludzkości

Fageom a otyłość

Ostatnie doniesienia w Nature Metabolism z listopada 2024 r. pokazują, że bakteriofagi Microviridae, a w szczególności Gokushovirus WZ-2015a przyczyniają się do uzależnienia od jedzenia, a tym samym do otyłości w wielu grupach społecznych. W badaniach wykazano, że jest to związane z metabolizmem serotoniny i dopaminy (neuroprzekaźniki, tzw. hormony szczęścia). Myszom przeszczepiono mikrobiotę jelitową bogatą w Gokushovirus pochodzącą od ludzi. Takie myszy były uzależnione od pokarmy, ale też wykazano u nich zmiany w metabolizmie tryptofanu, serotoniny i dopaminy a także zmiany w receptorach dopaminowych. Powiązano niższą ilość kwasu antranilowego z fagiem Gokushovirus i suplementacja tego związku u myszy zmniejszyła uzależnienia od jedzenia i zmieniła szlaki szlaki związane syntezą i uwalnianiem neuroprzekaźników [9].

Podsumowanie

Fageom, tak jak wiele innych komponentów naszego organizmu, jest kluczowy i nadal niedostatecznie poznany, jako element naszego mikrobiomu. Jego skład i funkcja mimo, że zazwyczaj stabilne, to dynamicznie reagują na zmiany w środowisku, diecie, czy chorobie. Mamy już wiele dowodów na to, że fageom odgrywa istotną rolę w naszym zdrowiu, chociażby patrząc na udział fagów w otyłości. Jest to z pewnością obszar badań, który warto, a nawet trzeba dalej eksplorować.

Literatura

1. Zhang, Y., & Wang, R. (2023). The human gut phageome: composition, development, and alterations in disease. Frontiers in microbiology, 14, 1213625. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1213625
2. Sender, R., Fuchs, S., & Milo, R. (2016). Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body. PLoS biology, 14(8), e1002533. DOI:10.1371/journal.pbio.1002533
3. Zuo, T., Sun, Y., Wan, Y., Yeoh, Y. K., Zhang, F., Cheung, C. P., … & Ng, S. C. (2020). Human-gut-DNA virome variations across geography, ethnicity, and urbanization. Cell host & microbe, 28(5), 741-751. DOI:10.1016/j.chom.2020.08.005
4. Zhang, Y., & Wang, R. (2023). The human gut phageome: composition, development, and alterations in disease. Frontiers in microbiology, 14, 1213625. DOI:10.3389/fmicb.2023.1213625
5. Bayfield, O. W., Shkoporov, A. N., Yutin, N., Khokhlova, E. V., Smith, J. L., Hawkins, D. E., … & Antson, A. A. (2023). Structural atlas of a human gut crassvirus. Nature, 617(7960), 409-416. DOI:10.1038/s41586-023-06019-2
6. Park, G. W., Ng, T. F. F., Freeland, A. L., Marconi, V. C., Boom, J. A., Staat, M. A., … & Vinjé, J. (2020). CrAssphage as a novel tool to detect human fecal contamination on environmental surfaces and hands. Emerging Infectious Diseases, 26(8), 1731. DOI:10.3201/eid2608.200346
7. Sabar, M. A., Honda, R., & Haramoto, E. (2022). CrAssphage as an indicator of human-fecal contamination in water environment and virus reduction in wastewater treatment. Water Research, 221, 118827. DOI:10.1016/j.watres.2022.118827
8. Oh, J. H., Alexander, L. M., Pan, M., Schueler, K. L., Keller, M. P., Attie, A. D., … & van Pijkeren, J. P. (2019). Dietary fructose and microbiota-derived short-chain fatty acids promote bacteriophage production in the gut symbiont Lactobacillus reuteri. Cell Host & Microbe, 25(2), 273-284. DOI:10.1016/j.chom.2018.11.016
9. Castells-Nobau, A., Puig, I., Motger-Albertí, A., de la Vega-Correa, L., Rosell-Díaz, M., Arnoriaga-Rodríguez, M., … & Mayneris-Perxachs, J. (2024). Microviridae bacteriophages influence behavioural hallmarks of food addiction via tryptophan and tyrosine signalling pathways. Nature metabolism, 6(11), 2157-2186. DOI:10.1038/s42255-024-01157-x