Nieuwsbericht
Woensdag 13 juni 2012
Genome sequencing creëert eerste referentiegegevens voor microben die leven bij gezonde volwassenen.
Microben bevolken zowat elk deel van het menselijk lichaam, leven op de huid, in de darmen, en in de neus. Soms veroorzaken ze ziekte, maar meestal leven micro-organismen in harmonie met hun menselijke gastheren en zorgen ze voor vitale functies die essentieel zijn voor het overleven van de mens. Voor het eerst heeft een consortium van onderzoekers, georganiseerd door de National Institutes of Health, de normale microbiële samenstelling van gezonde mensen in kaart gebracht, wat tal van inzichten en zelfs enkele verrassingen heeft opgeleverd.
Onderzoekers ontdekten bijvoorbeeld dat bijna iedereen routinematig ziekteverwekkers bij zich draagt, micro-organismen waarvan bekend is dat ze ziekten kunnen veroorzaken. Bij gezonde mensen veroorzaken ziekteverwekkers echter geen ziekte; zij bestaan gewoon samen met hun gastheer en de rest van het menselijke microbioom, de verzameling van alle micro-organismen die in het menselijk lichaam leven. Onderzoekers moeten nu uitzoeken waarom sommige ziekteverwekkers dodelijk worden en onder welke omstandigheden, waarbij waarschijnlijk de huidige concepten over hoe micro-organismen ziekte veroorzaken worden herzien.
In een reeks gecoördineerde wetenschappelijke rapporten die op 14 juni 2012 zijn gepubliceerd in Nature en verschillende tijdschriften in de Public Library of Science (PLoS), doen zo’n 200 leden van het Human Microbiome Project (HMP) Consortium van bijna 80 universiteiten en wetenschappelijke instellingen verslag van vijf jaar onderzoek. Het HMP heeft sinds de start in het fiscale jaar 2007 153 miljoen dollar ontvangen uit het Common Fund van de NIH, dat investeert in innovatief trans-NIH-onderzoek met een hoge impact. Afzonderlijke NIH-instituten en -centra hebben nog eens 20 miljoen dollar bijgedragen aan de financiering van onderzoek door het HMP-consortium.
“Net als 15e-eeuwse ontdekkingsreizigers die de contouren van een nieuw continent beschreven, hebben HMP-onderzoekers een nieuwe technologische strategie toegepast om voor het eerst de normale microbiële samenstelling van het menselijk lichaam vast te stellen,” aldus NIH-directeur Francis S. Collins, M.D., Ph.D. “HMP heeft een opmerkelijke referentiedatabase gecreëerd door genoomsequencing-technieken te gebruiken om microben in gezonde vrijwilligers op te sporen. Hiermee is de basis gelegd voor een versnelling van het onderzoek naar infectieziekten, dat zonder deze communautaire bron onmogelijk was.”
Methodes en resultaten
Het menselijk lichaam bevat triljoenen micro-organismen – tien keer zoveel als de menselijke cellen. Door hun geringe omvang maken micro-organismen echter slechts 1 tot 3 procent uit van de lichaamsmassa (bij een volwassene van 200 pond zijn dat 2 tot 6 pond bacteriën), maar ze spelen een vitale rol in de menselijke gezondheid.
Om het normale menselijke microbioom te definiëren, hebben HMP-onderzoekers 242 gezonde Amerikaanse vrijwilligers (129 mannen, 113 vrouwen) bemonsterd, waarbij ze weefsels verzamelden van 15 lichaamsplaatsen bij mannen en 18 lichaamsplaatsen bij vrouwen. Onderzoekers verzamelden tot drie monsters van elke vrijwilliger op plaatsen zoals de mond, neus, huid (twee achter elk oor en elke binnenelleboog), en lagere darm (ontlasting), en drie vaginale plaatsen bij vrouwen; elke lichaamsplaats kan worden bewoond door organismen die zo verschillend zijn als die in het Amazoneregenwoud en de Sahara-woestijn.
Van oudsher bestudeerden artsen micro-organismen in hun patiënten door ziekteverwekkers te isoleren en ze in kweek te brengen. Bij dit moeizame proces worden doorgaans slechts enkele microbiële soorten geïdentificeerd, omdat deze in het laboratorium moeilijk te kweken zijn. In het HMP zuiverden onderzoekers al het menselijke en microbiële DNA in elk van meer dan 5.000 monsters en analyseerden ze met DNA-sequencingmachines. Met behulp van computers sorteerden de onderzoekers de 3,5 terabases van genoomsequentiegegevens om specifieke genetische signalen te identificeren die alleen bij bacteriën voorkomen – de variabele genen van bacterieel ribosomaal RNA, 16S rRNA genaamd. Bacterieel ribosomaal RNA helpt bij de vorming van de celstructuren die eiwitten produceren en kan de aanwezigheid van verschillende microbiële soorten identificeren.
Door zich op deze microbiële signatuur te concentreren, konden de HMP-onderzoekers de sequenties van het menselijk genoom negeren en alleen het bacteriële DNA analyseren. Bovendien stelde metagenomische sequencing, of sequencing van al het DNA in een microbiële gemeenschap, de onderzoekers in staat om de metabolische mogelijkheden te bestuderen die in de genen van deze microbiële gemeenschappen zijn gecodeerd.
“Recent ontwikkelde genoomsequencingmethoden bieden nu een krachtige lens om naar het menselijke microbioom te kijken,” zei Eric D. Green, M.D., Ph.D., directeur van het National Human Genome Research Institute, dat het HMP voor het NIH beheerde. “De verbazingwekkende daling van de kosten van het sequencen van DNA heeft het soort grootschalig onderzoek mogelijk gemaakt dat is uitgevoerd door het Human Microbiome Project.”
Waar artsen voorheen slechts een paar honderd bacteriesoorten uit het lichaam hadden geïsoleerd, berekenen HMP-onderzoekers nu dat meer dan 10.000 microbiële soorten het menselijke ecosysteem bewonen. Bovendien hebben de onderzoekers berekend dat ze tussen 81 en 99 procent van alle micro-organisme geslachten in gezonde volwassenen hebben geïdentificeerd.
“We hebben de grenzen van de normale microbiële variatie in de mens bepaald,” zei James M. Anderson, M.D., Ph.D., directeur van de NIH Division of Program Coordination, Planning and Strategic Initiatives, waar het NIH Common Fund onder valt. “We hebben nu een heel goed idee van wat normaal is voor een gezonde westerse bevolking en beginnen te leren hoe veranderingen in het microbioom correleren met fysiologie en ziekte.”
HMP-onderzoekers meldden ook dat deze overvloed aan microben meer genen bijdraagt die verantwoordelijk zijn voor de menselijke overleving dan de mens bijdraagt. Waar het menselijk genoom zo’n 22.000 eiwit-coderende genen bevat, schatten onderzoekers dat het menselijk microbioom zo’n 8 miljoen unieke eiwit-coderende genen bijdraagt of 360 keer meer bacteriële genen dan menselijke genen.
Deze bacteriële genomische bijdrage is van cruciaal belang voor het overleven van de mens. Genen die door bacteriën in het maag-darmkanaal worden gedragen, stellen mensen bijvoorbeeld in staat voedsel te verteren en voedingsstoffen op te nemen die anders niet beschikbaar zouden zijn.
“Mensen hebben niet alle enzymen die we nodig hebben om ons eigen voedsel te verteren,” zegt Lita Proctor, Ph.D., NHGRI’s HMP programmamanager. “Microben in de darm breken veel van de eiwitten, lipiden en koolhydraten in onze voeding af tot voedingsstoffen die wij vervolgens kunnen opnemen. Bovendien produceren de microben gunstige verbindingen, zoals vitaminen en ontstekingsremmers, die ons genoom niet kan produceren.” Ontstekingsremmers zijn verbindingen die een deel van de reactie van het immuunsysteem op ziekte, zoals zwelling, reguleren.
Onderzoekers ontdekten tot hun verrassing dat de verdeling van microbiële metabolische activiteiten er meer toe doet dan de soort microben die ze leveren. In een gezonde darm zal er bijvoorbeeld altijd een populatie bacteriën zijn die helpt bij het verteren van vetten, maar het zijn niet altijd dezelfde bacteriesoorten die deze taak uitvoeren.
“Het lijkt erop dat bacteriën voor elkaar kunnen invallen,” zei Curtis Huttenhower, Ph.D., van de Harvard School of Public Health en hoofdcoauteur van een van de HMP-publicaties in Nature. “Het maakt uit of de metabolische functie aanwezig is, niet welke microbiële soort deze levert.”
Daar komt bij dat de componenten van het menselijk microbioom duidelijk veranderen in de loop van de tijd. Wanneer een patiënt ziek is of antibiotica slikt, kan de soortensamenstelling van het microbioom aanzienlijk verschuiven omdat de ene of de andere bacteriesoort wordt aangetast. Uiteindelijk keert het microbioom echter terug naar een toestand van evenwicht, zelfs als de eerdere samenstelling van bacteriesoorten dat niet doet.
Klinische toepassingen
Als onderdeel van het HMP heeft het NIH een aantal studies gefinancierd om te zoeken naar associaties van het microbioom met ziekten en verschillende PLoS-papers bevatten medische resultaten. Onderzoekers van het Baylor College of Medicine in Houston vergeleken bijvoorbeeld veranderingen in het vaginale microbioom van 24 zwangere vrouwen met die van 60 vrouwen die niet zwanger waren en ontdekten dat het vaginale microbioom een dramatische verschuiving ondergaat in bacteriële soorten ter voorbereiding op de geboorte, voornamelijk gekenmerkt door een verminderde soortendiversiteit. Een pasgeborene is een bacteriële spons omdat het zijn eigen microbioom bevolkt nadat het de steriele baarmoeder heeft verlaten; de passage door het geboortekanaal geeft de baby zijn eerste dosis microben, dus het is misschien niet verrassend dat het vaginale microbioom is geëvolueerd om het een gezonde passage te laten zijn.
Onderzoekers aan de Washington University School of Medicine in St. Louis onderzochten het neusmicrobioom van kinderen met onverklaarbare koorts, een veel voorkomend probleem bij kinderen jonger dan 3 jaar. Neusmonsters van de koortsige kinderen bevatten tot vijf keer meer viraal DNA dan kinderen zonder koorts, en het virale DNA was afkomstig van een breder spectrum van soorten. Eerdere studies tonen aan dat virussen ideale temperatuurbereiken hebben om zich voort te planten. Koorts maakt deel uit van de verdediging van het lichaam tegen pathogene virussen, dus snelle tests voor virale belasting kunnen kinderen helpen een ongepaste behandeling met antibiotica te vermijden die de virussen niet doden maar het gezonde microbioom van het kind kunnen schaden.
Dit is een van de eerste klinische studies waarbij microbioomgegevens worden gebruikt om de rol ervan bij specifieke ziekten te bestuderen. Het NIH heeft veel meer medische studies gefinancierd met behulp van HMP-gegevens en -technieken, waaronder de rol van het darmmicrobioom bij de ziekte van Crohn, ulceratieve colitis en slokdarmkanker; huidmicrobioom bij psoriasis, atopische dermatitis en immunodeficiëntie; urogenitaal microbioom bij reproductieve en seksuele voorgeschiedenis en besnijdenis; en een aantal kinderaandoeningen, waaronder buikpijn bij kinderen, darmontsteking en een ernstige aandoening bij premature zuigelingen waarbij de darm daadwerkelijk afsterft.
“Het mogelijk maken van ziektespecifieke studies is het hele punt van het Human Microbiome Project,” zei Barbara Methé, Ph.D., van het J. Craig Venter Institute, Rockville, MD, en hoofd co-auteur van het Nature artikel over het raamwerk voor huidig en toekomstig menselijk microbiome onderzoek. “Nu we begrijpen hoe het normale menselijke microbioom eruit ziet, moeten we in staat zijn te begrijpen hoe veranderingen in het microbioom geassocieerd zijn met, of zelfs ziekten veroorzaken.”
Het NIH Common Fund heeft ook geïnvesteerd in een reeks studies om de ethische, juridische en sociale implicaties van microbioomonderzoek te evalueren. Hoewel de resultaten van deze studies nog moeten worden gepubliceerd, zijn er al een aantal belangrijke kwesties geïdentificeerd, variërend van hoe producten die zijn ontworpen om het microbioom te manipuleren – zoals probiotische brouwsels die levende micro-organismen bevatten waarvan wordt aangenomen dat ze het lichaam ten goede komen – kunnen worden gereguleerd, tot de vraag of individuen moeten beginnen te overwegen hun microbioom op te slaan terwijl ze gezond zijn.
Nadat NIH in december 2007 het HMP lanceerde, werd in 2008 het International Human Microbiome Consortium gevormd om financieringsorganisaties, waaronder NIH, en wetenschappers uit de hele wereld te vertegenwoordigen die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van het menselijke microbioom. Het consortium heeft het onderzoek gecoördineerd om dubbel werk te vermijden en een snelle vrijgave van moleculaire en klinische datasets te verzekeren. Het heeft ook gemeenschappelijke normen voor de kwaliteit van gegevens en hulpmiddelen voor het delen van onderzoeksresultaten ontwikkeld.
Net als bij andere grootschalige samenwerkingsinspanningen heeft het NIH ervoor gezorgd dat de onderzoeksgemeenschap vrij toegang heeft tot HMP-gegevens via openbare databanken, zoals het National Center for Biotechnology Information, onderdeel van de National Library of Medicine, en bij het HMP Data Analysis and Coordinating Center.
Het Human Microbiome Project wordt beheerd door het National Human Genome Research Institute, in samenwerking met het NIH Office of the Director, het National Institute of Allergy and Infectious Diseases, het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, het National Cancer Institute, het National Institute of Dental and Craniofacial Research, en het National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, die alle deel uitmaken van het NIH.
Meer informatie over HMP is te vinden op http://commonfund.nih.gov/hmp/index.aspx. Een illustratie van de lichaamsplaatsen die zijn bemonsterd als onderdeel van de Human Microbiome Project gezonde cohortstudie is beschikbaar op: www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20163.
Een hoge-resolutie afbeelding van de bacterie, Enterococcus faecalis, een van de vele commensale microben die leven in de menselijke darm, is beschikbaar in kleur op www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20023, of in zwart-wit op www.genome.gov/pressDisplay.cfm?photoID=20024.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met
Trish Reynolds, NIAMS
301-496-8190
NCI Press Officers
301-496-6641
Bob Kuska, NIDCR
301-594-7560
Leslie Curtis, NIDDK
301-496-3583
NIAID News Office
301-402-1663
NIH Office of Strategic Coordination/DPCPSI
301-435-5840
NIH Office of Communications
301-496-5787
NHGRI is een van de 27 instituten en centra van het NIH, een agentschap van het Department of Health and Human Services. De NHGRI Division of Extramural Research ondersteunt subsidies voor onderzoek en opleiding en loopbaanontwikkeling op locaties in het hele land. Aanvullende informatie over NHGRI is te vinden op de website www.genome.gov.
Het NIH Common Fund ondersteunt een reeks onderzoeksprogramma’s met een uitzonderlijk grote impact die breed relevant zijn voor gezondheid en ziekte. Common Fund programma’s zijn ontworpen om belangrijke onderzoeksbelemmeringen te overwinnen en nieuwe mogelijkheden na te streven ten voordele van de biomedische onderzoeksgemeenschap in het algemeen. De onderzoeksproducten van de Common Fund programma’s zullen naar verwachting een katalysator zijn voor ziektespecifiek onderzoek dat door de NIH Institutes en Centers wordt ondersteund. Meer informatie over het NIH Common Fund is te vinden op http://commonfund.nih.gov.
Over de National Institutes of Health (NIH):NIH, de nationale instantie voor medisch onderzoek, omvat 27 instituten en centra en is een onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid en Human Services. NIH is het belangrijkste federale agentschap dat fundamenteel, klinisch en translationeel medisch onderzoek uitvoert en ondersteunt, en onderzoek doet naar de oorzaken, behandelingen en genezing van zowel veel voorkomende als zeldzame ziekten. Voor meer informatie over het NIH en zijn programma’s kunt u terecht op www.nih.gov.
NIH…Turning Discovery Into Health®
###