REVIEW| VOLUME 172, ISSUE 6, P1216-1227, MARCH 08, 2018

Multiscale Evolutionary Dynamics of Host-Associated Microbiomes

Aura Ferreiro, Nathan Crook, Andrew J. Gasparrini, Gautam Dantas, Show footnotes

Open Archive DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.02.015

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)30159-4

의 간단 번역입니다.

미생물총의 복합 구성원은 다양한 선택적 압력에 직면하며 숙주에서 지속하도록 적응해야 합니다. 우리는 생물학적 및 비생물적 섭동에 대한 탄력성을 가능하게 하는 숙주 관련 미생물 총의 중첩된 규모에 걸쳐 유전 정보의 진화와 전달을 특성화하는 최근 연구를 강조합니다. 균주 수준에서 우리는 자손 계통에서 적응 정보의 보존 및 다양화를 고려합니다. 지역 사회 수준에서 우리는 생태계에서 별개의 미생물 간의 유전 적 교환을 고려합니다. 마지막으로, 우리는 미생물 군집을 외부 미생물의 침입을 통해 외부 생태계에서 새로운 정보를 습득할 수 있는 개방형 시스템으로 구성합니다.

키워드

미생물 진화, 인간 마이크로바이옴, 유전체학, 수평 유전자 전달, 미생물 전염, 생태학, 식민지화, 생체 이물질, 클론 간섭, 병원체 침입

본문

소개

인간의 몸은 미생물 집단으로 불리는 다양한 미생물 집단에 의해 식민지화되는데, 이 집단은 인간의 몸에서 세포와 유전적 함량 모두보다 많다(Sender et al., 2016). 최근 수십 년 동안, 이 미생물들이 인간의 건강과 질병에서 수행하는 역할에 대한 이해가 증가했고, 이는 다시 마이크로바이오타 지향 또는 파생 치료에 대한 관심을 부채질했다. 메타게노믹스 및 공생생물학 기술을 활용한 연구는 영양 흡수, 비타민 생합성, 면역계 성숙, 병원체 정착 저항 및 기타 중요한 생리학적 과정에서 마이크로바이오타가 수행하는 중요하고 종종 인과적인 역할을 밝혀냈다(Pickard et al., 2017, Sommer et al., 2017).

건강한 인간 마이크로바이옴은 생태적 안정성 경관(Box 1)의 최소값에 놓여 있는 미생물 군집 구성 및 기능에서 의사 안정 상태로 간주될 수 있으며, 따라서 섭동에 대해 복원력이 있다(Shade et al., 2012). 메타게노믹스 기술을 사용하여 마이크로바이옴이 다양한 선택적 압력에서 겪는 공동체 수준의 변화를 설명하기 위해 많은 연구가 수행되었지만(Gibson et al., 2016, Subramanian et al., 2014, Yatsunenko et al., 2012), 이러한 시스템에서 개별 미생물 집단이 어떻게 진화하는지 이해하는 것도 중요하다. 유전체 데이터에서 변형률 추적을 위한 생물정보학 도구의 개발이 진행 중이지만(Brito and Alm, 2016, Lindgreen et al., 2016, Sczyrba et al., 2017), 유전자 변형 또는 이동 유전 요소를 유전체 유전체 기술을 사용하여 개별 미생물 계통(Box 1)에 할당하는 것은 여전히 어려운 과제이다. 최근 연구에서는 단일 미생물 계통의 운명에 대한 고해상도 통찰력을 얻기 위해 단일 고립 전체 게놈 시퀀싱(Box 2)을 사용했다(바로소-바티스타 외, 2014, 검퍼트 외, 2017, 카라미 외, 2007, 레스캣 외, 2017).

상자 1

집단유전학의 일반적인 용어

생태학적 안정성 지형: 생태계의 가능한 종 구성과 변화에 대한 그 상태들의 저항을 설명하는 수학적 함수를 결합하는 이론적 틀이다. 이 풍경에서, “산”은 ” 분지”로 대표되는 더 안정적인 상태로 자발적으로 이동하는 불안정한 종 구성에 해당한다. 분지 사이의 지형의 “높이”는 안정된 상태 사이를 이동하는 데 필요한 섭동 강도의 척도이다. 종종 이러한 풍경은 주성분 분석을 통해 2차원으로 개념화되지만, 더 높은 차원으로 일반화될 수도 있다.

• 혈통: 공통 조상을 공유하는 유기체, 세포 또는 유전자의 그룹입니다.
• 복제 간섭: 각각 다른 유익한 돌연변이를 가진 두 집단이 환경에서 서로 경쟁하는 과정. 이 과정은 HGT가 없을 때 박테리아와 관련이 있는데, 이는 두 개의 유익한 돌연변이가 같은 유기체로 결합할 수 없기 때문이다.
• 적합성: 표현형의 풍부한 크기의 유전자형이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지에 대한 척도입니다. 절대적이거나 상대적일 수 있습니다. 유전자형의 개체수가 n(t)이고 모집단에서 차지하는 비율이 p(t)이면, 절대적 적합성은 n(t+1)/n(t)으로 정의되며, 상대적 적합성은 f×p(t+1)/p(t)로 정의된다. 종종 모집단에서 한 유전자형의 상대적 적합성은 임의로 1로 설정되며, 다른 유전자형의 상대적 적합성은 이에 비례하여 측정된다.
• 저항체: 미생물 집단에 존재하는 ARG의 집합.
• 블랙 퀸 가설: 이러한 공동 국소화된 계통이나 종을 제외한 모든 종에서 여러 계통이나 종에 의해 사용될 수 있는 분비되고 필요한 분자의 생산에서 기능 상실 돌연변이는 동료들이 누리는 상이한 대사 이점에도 불구하고 분자를 계속 분비하거나 멸종에 직면하도록 강요한다(현재는 “사회적 체”)). 어떤 경우에는 블랙퀸이 분비된 분자를 사유화하기 위해 진화할 수도 있다.
• 붉은 여왕 가설: 환경 선택적 압력의 변화가 없는 경우에도, 공존하는 계통이나 종들 사이의 지속적인 경쟁은 단지 제자리를 유지하기 위해 모든 경쟁자의 지속적인 진화가 필요하다.
• 기능 병렬화: 진화하는 여러 개체군이 기능적 병렬성을 보일 때, 그들은 같은 기능 범주의 유전자에 대한 돌연변이를 통해 같은 표현형을 획득한다.
• 소프트 스위프: 적응 중인 모집단에서 같은 선택적 압력에 의해 선택된 다른 돌연변이는 독립적으로 그리고 병렬로 발생하며, 완전한 고정에 도달하는 돌연변이는 없다.
• 상위: 한 돌연변이의 영향이 다른 돌연변이의 존재에 따라 달라지는 현상. 상위가 없다면, 두 돌연변이의 효과는 그들의 효과의 합과 같을 것이다. 긍정적 상위에서는 조합이 이 합보다 더 적합하며, 부정적 상위에서는 그 반대이다. 부호 상위에서, 하나의 돌연변이는 다른 돌연변이의 맥락에서 (예를 들어, 그 자체는 유해하지만 다른 돌연변이가 존재할 때 유익하다) 반대의 효과가 있다. 상호 부호 인식에서, 두 개의 유익한 돌연변이는 함께 있을 때 해로운 영향을 미치며, 그 반대의 경우 해로운 돌연변이에 대해서도 마찬가지이다.
• 고정: 대립 유전자의 여러 변형을 가진 개체군이 그 대립 유전자의 단일 변형만을 가진 개체군이 되는 과정이다.
• 초변성자: 유기체에 유전적 돌연변이의 비율을 크게 증가시키는 표현형. 이 특성은 해로운 돌연변이를 축적하는 대가로 유익한 돌연변이를 발견할 가능성을 증가시킬 수 있다.
• 주파수 종속 선택: 선택이 빈도에 따라 달라지는 경우, 유전자형 또는 표현형의 절대적 적합성은 모집단에서 차지하는 비율의 함수임을 의미한다. 음의 빈도 의존적 선택에서 유전자형의 절대적 적합성은 모집단에서 차지하는 비율이 증가함에 따라 감소한다. 양의 주파수 의존적 선택에서는 그 반대이다.
• 퍼시스터 표현형: 퍼시스터 표현형을 가진 균주는 일시적으로 휴면 상태에 들어가 항생제에 내성이 있다. 이는 능동적으로 성장하는 세포가 표적 보호, 유출 또는 효소 분해를 통해 살상에 저항하는 다른 유형의 저항과는 대조적이다.
• 포지티브 선택: 적응 선택에서 유전자 서열은 유전자 서열을 포함하는 유기체에 더 유리하도록 변화한다. 이는 DNA 복제에 내재한 오류로 인해 유전자에 돌연변이가 축적되지만 피트니스 이점으로 이어지지 않는 중립 드리프트와는 대조적이다.
• 선택 항목을 정제: 선택을 정제할 때, 특정 위치에 대한 돌연변이의 해로운 영향은 시간이 지남에 따라 돌연변이의 축적에 저항하게 한다.
• dN/dS 비율: 동의 돌연변이에 비해 비동의 돌연변이가 발생하는 상대적 비율. 1보다 큰 비율은 적응형 선택을 나타내고, 1보다 작은 비율은 순화된 선택을 나타내며, 1과 동일한 비율은 중립 드리프트를 나타냅니다.

상자 2

미생물의 유전적 변화를 이해하는 기술

• 엠프리콘 시퀀싱: 미생물 게놈의 관심 영역이 PCR을 통해 증폭되고, 그 결과 DNA 조각이 시퀀싱 됩니다. 시퀀싱은 Sanger 시퀀싱과 같은 전통적인 방법 또는 차세대 시퀀싱과 같은 최신 기술을 통해 발생할 수 있습니다. 이 방법은 미생물 커뮤니티의 다양성을 깊이 샘플링할 수 있지만(시퀀스된 읽기 수까지, 종종 수백만 개) 특정 관심 영역으로 제한됩니다.
• 전체 게놈 시퀀싱: 관심 있는 유기체의 전체 게놈은 대부분 높은 처리량의 염기서열을 통해 염기서열이 결정된다. 유기체가 실험실에서 배양 가능한지 아닌지에 따라 선택적 배양, 희석 제한 또는 형광 활성 세포 분류(FACS)를 통해 클론성으로 정제될 수 있다. 이 방법은 게놈 전체에서 돌연변이와 게놈 재배열을 감지할 수 있게 하지만, 대부분의 실험실에서 그 처리량은 실험당 수백 개의 게놈으로 제한된다.
• 메타게놈 시퀀싱: 전체 미생물 집단의 유전 물질이 추출되고 배열된다. 이 접근법에서, DNA가 다른 종류의 유기체로부터 회복되는 상대적인 효율성은 매우 중요하다. 이 방법은 많은 다른 유기체에서 돌연변이를 한 번에 탐지할 수 있게 하지만 둘 이상의 읽기 길이로 분리된 돌연변이를 같은 균주로 그룹화하는 데 어려움이 있다.
• 게놈 조립(Genome assembly): 원시 짧은 읽기 데이터가 읽기 간에 겹치는 부분을 찾아 더 긴 “콘티그”로 조립되는 과정. 종종 게놈의 반복 영역은 완전한 조립을 금지하지만, 때때로 게놈 “폐쇄”가 달성될 수 있다. 어셈블리 알고리듬은 지속해서 개선되고 있으며 어셈블리 품질을 향상하기 위해 기존의 짧은 읽기 시퀀스뿐만 아니라 새로운 긴 읽기 시퀀스에서 파생된 데이터를 점점 더 많이 사용할 수 있다. 전체 게놈은 SNP, 소인델, 플라스미드 획득/손실, 게놈의 대규모 재배열을 감지하는 데 사용될 수 있다.
• 메타게놈 어셈블리: 이 과정은 종종 다양한 풍부함으로 데이터에 존재한다는 점을 제외하고는 개념적으로 게놈 조립과 유사하다. 메타게놈 조립은 게놈 조립보다 더 어려우며, 이 작업을 위한 알고리즘은 종종 풍부함과 시퀀스 구성 데이터를 사용하여 읽기 또는 콘티그를 풀로 “빈”하여 조립 과정을 단순화한다.
• SNP 호출: 단일 돌연변이 또는 작은 인델이 시퀀싱 데이터로부터 추론되는 과정. 이 과정은 고품질 조립 게놈을 사용할 때 비교적 간단하다. SNP 호출은 짧은 시퀀싱 읽기에서도 수행될 수 있으며, 이를 통해 소수의 읽기에 존재하는 돌연변이를 탐지할 수 있다. 이러한 알고리듬은 시퀀스 품질 데이터를 사용하여 실제 변형과 시퀀스 오류를 분리하고 종종 결과 변형에 p 값을 할당한다. 관심 있는 샘플(즉, 단일 박테리아 게놈, 다배체 게놈 또는 미생물 커뮤니티)에 따라 변이체는 풍부함에 따라 필터링될 수 있다.
• 기능 분류: 적응 실험에서 많은 수의 변형이 복구되는 경우가 많다. 분석을 자동화하기 위해 분류 알고리즘은 돌연변이를 알려진 유전자나 조절 요소에 매핑하고 이러한 유전자를 기능 범주(예: GO 또는 KEGG)에 매핑한다.
• Gnotobiotic 동물 연구: Gnotobiotic 동물 연구는 실험 중 동물에 존재하는 미생물 종에 대한 완전한 통제를 가능하게 한다. 이 방법으로 동물들은 무균 환경에서 태어나고 자랍니다. 그들은 관심 있는 미생물에 노출될 때까지 미생물로부터 완전히 자유롭다. 이 기술은 살아있는 숙주의 맥락에서 미생물의 정의된 혼합물(즉, 배양물로부터) 또는 정의되지 않은 혼합물(예: 대변 샘플로부터)에 대한 실험을 수행할 수 있게 한다.

짧은 생성 시간 때문에, 미생물들은 빠르게 진화한다. 또한, 세균의 진화는 수평적(즉, 세대 내) 성분뿐만 아니라 실질적인 수직적(즉, 세대 간) 성분으로 구성될 수 있다. 체외 미생물의 진화에 대한 광범위하고 우아한 연구는 미생물 진화가 빠른 적응과 복제 간섭을 모두 특징으로 한다는 것을 입증했지만(Box 1)(Good et al., 2017, Maddamsetti et al., 2015, Tenaillon et al., 2016), 현장과 군집 맥락에서 숙주와 관련된 미생물의 진화를 조사하는 문헌은 더 희박하다.

그래서, 그것은 고려해야 한다: 미생물 집단은 숙주 고유의 방식으로 어느 정도 진화하는가? 비생체성분과 숙주의 식단에 대한 노출을 포함한 많은 요인은 각각의 개체에 특정한 돌연변이적 특징에서 나타나는 독특한 선택적 압력으로 모든 개체를 그들만의 서식지로 만들 가능성이 있다. 실제로, 최근의 두 연구는 피부와 내장의 인간 미생물 군집(Oh et al., 2016)이 변형 수준에서 매우 개별적으로 특이적이라는 것을 보여주었다. 이러한 변화는 시간이 지남에 따라 숙주 고유의 돌연변이 축적 또는 환경 미생물이 정착하는 숙주 고유의 선택(즉, 병목 현상)으로 인해 발생할 수 있다. 우리가 설명하는 연구는 이러한 선택적 모드를 뒷받침하는 강력한 증거를 제공한다.

이 리뷰에서, 우리는 세 가지 규모에 걸쳐 발생하는 인간 관련 미생물의 진화를 조사한다(그림 1). 유전자 변화의 첫 번째 척도는 유전자 수준에서의 진화를 수반하는데, 단일 뉴클레오티드 다형성(SNP), 복사 수 변화 및 코드화되지 않은 영역 모두에서 개별 미생물 게놈 내의 전이 이벤트가 선택된다. 두 번째 척도는 미생물 집단 수준에서 발생하는 변화입니다. 이 규모에서 진화는 변환, 켤레 또는 파지 전달을 통한 수평적 유전자 전달(HGT)을 통해 커뮤니티 내의 여러 박테리아 균주에 걸쳐 일어난다(Gumpert et al., 2017). 세 번째 척도는 교차 생태계 교환으로, 마이크로바이옴은 다른 서식지로부터 유익하거나 해로운 기능을 암호화하는 새로운 유전적 내용을 획득할 수 있다. 이것은 외래 유기체와 그들의 메타게놈의 형태로 나타날 수 있으며, 숙주 외부의 환경으로부터 날아오르고 음식 소비나 여행과 같은 인간의 활동으로 잠재적으로 촉진된다. 중요한 것은 유전적 변화가 종종 여러 척도에 걸쳐 동시에 발생한다는 것을 보여준다는 것이다. 우리는 생체 내 숙주 관련 미생물 적응 패턴에 관한 최근 연구를 논의하기 위해 미생물 진화의 이 다중 스케일 프레임을 사용한다.

Figure 1 Scales of Microbial Evolution

(A) 척도 1: 단일 뉴클레오티드 다형성, 재배열 및 트랜스포존 매개 삽입을 통한 진화.
(B) 척도 2: 마이크로바이옴 내의 진화로, 전이, 접합 및 변형에 의해 매개되는 HGT를 포함한다.
(C) 척도 3: 미생물 집단 간의 진화는 유기체 전이에 의해 매개된다.

생체내 이종생물학에 대한 진화적 반응

인간 미생물은 항생제와 항진균제가 가장 확실한 외부의 작은 분자들에 많이 노출된다. 중금속과 같은 다른 화합물들은 숙주 생리학에 미치는 영향 외에도 감수성 및 병원성 미생물에 독특한 선택적 압력을 가한다. 흥미로운 최근 연구는 인간 미생물에 대한 이러한 이종 생물학의 진화적 영향을 밝혀내고 있다.

항생제 내성의 진화와 전이

점 돌연변이를 통한 항균제에 대한 내성은 배양 육수의 잘 혼합되고 영양분이 풍부하며 무균성 환경에서 수십 년 동안 연구됐다. 이러한 연구는 약물 내성에 이바지하는 진화 메커니즘에 대한 귀중한 통찰력을 제공했으며, 다른 곳에서도 우수하게 검토되었다(de Visser and Krug, 2014, Lukachišinova and Bollenbach, 2017). 복잡한 환경에서 항생제 내성과 경쟁적 적합성(Box 1) 사이의 균형이 더 뚜렷하게 나타날 수 있는 인간 또는 동물 숙주에서 발생하는 미생물 진화를 조사하는 연구는 상대적으로 적다. 최근 연구에서 대장균의 자연 격리가 스트렙토마이신 처리 생쥐의 내장에서 1년 이상 경과되었다(Lescat et al., 2017). 흥미롭게도, 이 변종은 체외보다 생체 내에서 더 낮은 진화율을 보였고, 잠재적으로 토착 서식지에서 전달되는 것을 반영했다. 그런데도, 리보솜 성숙에 관여하는 두 개의 유전자에서 결실이 회복되었다: rluD와 gidB. 이러한 유전자의 불활성화는 이러한 자연 격리에서 스트렙토마이신 내성 증가에 기여했다. 특히 저자들은 항생제 내성에 대한 체외 선택에서 일반적인 표적인 글로벌 조절기 rpoB의 돌연변이를 회복하지 못했다. 이는 이러한 돌연변이가 내장의 전반적인 적합성에 해로울 수 있으며 항생제 진화 궤적에 대한 정확한 그림을 얻으려면 관심 신체 부위를 가깝게 모방하는 환경에서 선택 실험을 수행해야 함을 시사한다.

항생제 내성을 향한 진화에 대한 대부분의 생체 내 연구는 두 번째 유전적 변화, 즉 장내 미생물 사이의 항생제 내성의 수평적 전이에 초점을 맞추고 있다. 최근에, 전체 게놈 서열 분석은 치료 과정에서 내장 박테리아 간의 저항 유전자 공유를 밝혀냈다. 아목시실린, 암피실린 및 트리메토프림을 투여한 신생아에서 대장균 분리 서열 분석 결과, 치료 과정에서 내성 균주에서 감수성 균주로의 플라스미드를 포함하는 항생제 내성 유전자(ARG)의 접합을 통한 균주 간 이동이 밝혀졌다(Karami et al., 2007, Porse et al., 2017). 항생제에 대한 내성균주의 노출은 또한 베타-락타마제를 구동하는 프로모터의 돌연변이로 선택되어 내성 유전자의 발현 증가와 높은 수준의 내성을 초래했다(Karami et al., 2007). 플라스미드 조립 도구를 확장함으로써 가능해진 플라스미드는 최근 몇 년 동안 카바페네마제 함유 클레비엘라 폐렴 환자를 포함한 연구에서 예시된 것처럼 생체 내 높은 가소성을 나타내는 것으로 나타났다(Conlan et al., 2016). 한 환자에서 주요 혈통은 여러 개의 잡종 플라스미드를 형성하기 위해 복잡한 재배열을 거친 플라스미드를 포함했다. 다른 환자에서는 각각 다른 플라스미드 세트(때로는 중복됨)를 가진 여러 개의 공동 지배적인 혈통이 존재했다. 플라스미드 재배열이 장내에 다른 미생물의 존재를 필요로 하는지 아니면 균주 내에서 발생할 수 있는지는 불분명하다.

별도의 연구에서 항생제 내성 플라스미드를 보유한 슈도모나스 모라비엔시스는 항생제 선택 하에 1,000세대 동안 진화되었다. 공존하는 천연 플라스미드로부터의 전위를 통해 플라스미드에 의한 독소-항티톡신 시스템의 획득은 지속성과 숙주 범위를 확장시켰다(Loftie-Eaton et al., 2016). HGT 그 자체는 아니지만, 플라스미드 사이의 세포 내 유전자 전달의 예는 특히 플라스미드가 숙주에게 유익한 유전자를 운반하는 경우, 박테리아와 그들이 품고 있는 플라스미드 사이의 공진화로서 HGT에 대한 우리의 이해를 틀로 만든다.

마찬가지로, 전이를 통한 프로파지 형태의 새로운 유전 물질의 획득은 피트니스 개선에 기여하는 것으로 나타났다. 최근 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)에서 파지 입자가 ARG를 포함한 게놈 DNA를 저주파로 포획할 수 있어 다른 세포로의 전이가 가능하다는 것이 입증되었다(Haaber et al., 2016). 대장균과 살모넬라 균주에서도 ARG의 파지 매개 전이가 보고되었지만, 이것이 실험실 외부의 ARG 전파에 기여하는 정도는 불분명하다(Colavecchio et al., 2017). 또한, 파지는 간접적으로 항생제 내성에 기여할 수 있는데, 예를 들어, 프로파지가 유도되었을 때 일부 용원성 종에서 바이오필름 형성을 향상시키는 것이다(Bondy-Denomy and Davidson, 2014, Nanda et al., 2015).

미생물 집단에서 ARG 교환이 널리 보급되고, 집단 간 미생물이 전이될 가능성이 크기 때문에 어떤 서식지가 인간에게 전이되어 건강에 위협이 될 가능성이 큰 저항 유전자의 ‘저수지’ 역할을 할 가능성이 큰지 묻는 것은 당연하다. 기존 데이터 세트와 새로운 데이터 세트 모두에서 메타게놈 분석을 적용하여 이동 가능한 저항의 광범위한 특성과 기원을 밝혔다(Adu-Oppong et al., 2017, Crofts et al., 2017). 서열화된 게놈의 분석은 식품과 농업 관련 유기체가 내장 코멘셜을 가진 ARG의 HGT에 주요 참여자임을 보여주었다(Smillie et al., 2011). 최근 저소득 농촌 및 도시 주변 환경의 레지스트옴(상자 1)의 기능적 특성 분석 결과 닭장과 하수 처리장이 ARG 농축 및 인간과 환경 마이크로바이옴 간 전달의 핫스팟 역할을 하는 것으로 나타났다. 저자들은 또한 다중 유전적 맥락에서 발생할 가능성이 크고 동원 위험이 큰 핵심 ARG를 식별했다(Pehrsson et al., 2016). 병원내 감염에서 잠재적인 역할로 주목할 만한 것은 병원 마이크로바이옴이며, 이는 저항 유전자의 저장고로 밝혀졌다(Lax et al., 2017, Potter et al., 2016). 이러한 분석은 ARG 보급에 대한 분자 감시를 개선하기 위해 전 세계의 인간 상식, 환경 및 병원체가 지배하는 마이크로바이옴 사이의 ARG 전달 속도와 유형에 대한 포괄적인 측정이 시급하다는 것을 나타낸다.

이러한 연구는 균주 간 저항 유전자 전달로 이어지는 유전적 사건의 순서를 설명하기 위해 생물정보학 도구의 고해상도 샘플링 및 최적화의 필요성을 나타낸다. 또한, 메타게노믹스에 대한 현재의 산탄총 접근법은 특정 미생물 계통과 관련된 유전적 변화를 드러내기에 적합하지 않으며, 미생물 공동체의 맥락에서 그러한 질문에 대답할 수 있으려면 기술적, 계산적, 개념적 발전이 필요하다. 향후 연구는 항생제 노출이 있거나 없는 약물 내성 플라스미드의 획득에 대응하여 염색체 수준에서 발생하는 적응을 더욱 특성화할 수 있다.

항진균제에 대응한 진화와 HGT

세균은 생체 내 진화 연구에서 대부분의 관심을 받아왔지만, 균류와 병원성 균류도 내장에서 중요한 역할을 하며 의심할 여지 없이 그러한 맥락에서 선택적 압력에 반응하여 진화한다. 실제로, Candida albicans는 플루코나졸 치료 동안 다양한 돌연변이 배열을 축적하는 것으로 나타났다(Ford et al., 2015). 균류의 다중 선형 염색체와 다배체를 포함한 다양한 게놈 구조는 추가적인 진화 모드를 보여준다. 이성질체 소실 현상은 세균에서 관찰되지 않는 메커니즘인 플루코나졸에 대한 내성을 획득하는 데 중요한 역할을 한다. 또한, 폴리플로이디는 유해한 돌연변이로부터 유기체를 완충하고 결과적으로 더 넓은 서열 공간의 진화적 탐구를 가능하게 하며, 잠재적으로 이 연구에서 관찰된 많은 수의 SNP에 이바지하는 것으로 나타났다. 마지막으로, 세균의 대규모 유전자 삭제 또는 복제 사건과 유사한 메커니즘인 신장(큰 염색체 세그먼트의 손실 및 추가)도 플루코나졸 내성에 기여한다. 균류는 최근 다른 균류(Fitzpatrick, 2012)와 박테리아(Bruto et al., 2014) 모두에서 HGT에 참여하는 것으로 나타났지만, 생체 내에서 작동하는 메커니즘은 완전히 설명되지 않았다. 말벌의 내장에서 효모 포자극이 강화되는 것으로 나타났기 때문에 짝짓기도 작용할 수 있다(Stefanini et al., 2016). 이러한 과정들은 장내 곰팡이가 박테리아 외에도 진화의 두 번째와 세 번째 척도인 수평적 유전자 전달과 교차 생태계 유전자 교환에서 중요한 역할을 할 수 있음을 나타낸다.

중금속 노출에 대응한 진화

중금속 노출은 공통 박테리아에 대해 상당한 선택적 압력을 가할 수 있다. 최근, 소의 성장 촉진을 위한 기술인 구리 보충제가 소의 내장에 있는 엔테로코커스 분변에서 구리 내성의 유병률 증가를 선택하는 것으로 나타났다(Amachawadi et al., 2013). 이 사실만으로도 놀라운 일은 아니지만, 구리 저항성 유전자(tcrB)가 마크롤라이드 및 테트라사이클린 저항성에 대한 저항성 유전자를 가진 플라스미드에 운반된다는 것도 발견되었다. 저자들은 이어서 이러한 다중 약물 및 구리 내성 표현형이 켤레 분석 중에 공동 전이된다는 것을 보여주었다. 단일 플라스미드에서 금속 및 항생제 내성의 동시 발생은 다른 내장 환경(Bednorz et al., 2013, Petrovska et al., 2016, Summers et al., 1993)에서 관찰되었으며, 생태계 사이를 통과하는 유기체(예: 농업 및 식품 소비 네트워크를 통해)의 경우 하나의 하비에서 경험되는 선택적 압력을 나타내고, 공존하지만 서식지 전반에 걸쳐 뚜렷한 유전 물질의 존재와 전파를 초래할 수 있으며, 두 번째와 세 번째 척도 모두에서 유전적 변화의 조합이다.

숙주 식에 대한 생체 내 진화적 반응

특히 위장관에 있는 많은 미생물은 숙주의 식이 물질을 영양 공급원으로 사용한다. 따라서, 숙주와 관련된 미생물들이 숙주의 독특한 식이 조건에 적응하는 것은 놀라운 일이 아니다. 식이 개입에 따른 변형률 변화를 조사하는 많은 연구가 수행되었지만(Albenberg and Wu, 2014, David et al., 2014, Sonnenburg and Beckhed, 2016, Wu et al., 2017), 생체 내 노출 중에 발생하는 돌연변이 또는 게놈 재배열을 조사한 연구는 거의 없었다. 이것은 식단에 의해 부과되는 선택적 압력이 이종 생물학에 따라 부과되는 선택적 압력보다 더 약하고 장기간에 걸쳐 부과되기 때문일 수 있다. 그런데도, 개체군에 걸친 미생물 다양성에 대한 몇 가지 흥미로운 회고적 분석은 인간의 내장 미생물을 전문적인 식단에 적응시키는 유전 정보의 역사적 이전을 보여주었다. 한 획기적인 연구는 해초가 주요 식이 성분인 일본 개체의 장내 마이크로바이옴에서 해양 박테로이데스에서 장내 박테로이데스 종으로의 포르피라나아제(김과 같은 홍조류에서 발견되는 탄수화물인 포르피린을 분해하는 효소)의 전이를 보여주었다(Heemann et al., 2010). 이러한 효소는 서양 피험자의 내장 마이크로바이옴에서 관찰되지 않았다. 장내 마이크로바이옴에 새로운 기능을 추가한 것은 두 번째와 세 번째 스케일에 걸친 유전적 변화의 조합을 예시하며, 생태계 간에 외래 유기체의 형태로 새로운 기능을 도입하고 이후 HGT를 통해 네이티브 커멘셜로 이전한다. 또 다른 연구에서는 피지인 개인의 내장에 존재하는 이동성 글리코실 가수분해효소가 미국인의 내장에 존재하는 가수분해효소와 구별되었으며, 내장 마이크로바이옴이 지역별 식사 압력에 반응하여 유전자를 공유하고 진화할 수 있다는 생각을 뒷받침했다(Brito et al., 2016). 흥미롭게도, 식단은 고지방 식단을 가진 쥐에서 특정 플라스미드의 이동 속도에 영향을 미치며, 더욱 전통적인 쥐 차우 식단보다 플라스미드 이동 속도를 감소시키는 것으로 나타났다(Tuohy et al., 2002). 발효식품은 또한 무균 생쥐에서 트랜스공역자의 밀도에 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 이러한 영향이 트랜스공역자의 성장률 증가에 의한 것인지, 동원률 자체의 증가에 의한 것인지는 알려지지 않았다(Duval-Iflah et al., 1998). HGT의 용량은 강제 HGT 실험에서도 종합적으로 탐구될 수 있는데, 여기서 한 미생물의 유전자가 복제 벡터에서 다른 미생물로 일괄적으로 전달되고 마우스 내장을 통과하여 더 적합한 형질을 선택한다. 이러한 전략을 사용하여, 최근에 타이오타마이크론으로부터 탄수화물 활용 효소를 획득하는 것이 무균 생쥐 내장에서 대장균의 실험실 균주에 대한 적합성 이점을 제공한다는 것이 밝혀졌다(Yaung et al., 2015). 전체 내장 메타게놈을 샘플링할 수 있을 때(Gibson et al., 2014) 보다 현실적인 내장 맥락에서 어떤 기능이 대장균(및 다른 내장 미생물)에게 선택적 이점을 부여하는지 결정하는 것은 흥미로울 것이다. 이는 내장의 HGT에 대한 광범위한 위험 평가를 제공할 것이기 때문이다.

미생물 집단의 경쟁에 대한 진화적 반응

인간과 관련된 미생물은 신체 부위와 숙주의 건강 또는 질병의 맥락에서 다양한 선택적 압력과 싸운다(그림 2). 이러한 도전적이고 시공간적으로 동적인 환경은 미생물 경쟁으로 이어지고 생태학적으로 안정적인 세균 공동체조차 진화적으로 안정적이지 않을 수 있도록 마이크로바이옴의 대립형질 구성에서 진행 중인 전환을 지원한다. 이러한 특성의 예로는 다른 하위 집단이 차지하도록 진화할 수 있는 새로운 틈새 생성으로 이어지는 한 하위 집단의 대사 적응이 포함된다(Herron and Doebeli, 2013). 장내 세균 밀도가 높으면 공국재 종에 의해 생성된 대사물을 광범위하게 교차 공급할 수 있다. 이러한 대사물을 활용할 수 있는 능력은 각 세균 종의 대사 프로파일이 커뮤니티의 나머지 종에 의해 주도될 수 있도록 선택적 이점을 제공한다(Fischbach and Sonnenburg, 2011).

그림 2 미생물 진화에 영향을 미치는 인체의 특징
미생물 진화를 지배하는 선택적 압력은 종종 미생물이 발생하는 서식지의 고유한 특징에 의해 결정되는데, 여기에는 영양 공급원, 미생물 밀도, 희석 속도, 공간 배치 등이 포함된다.

블랙 퀸 가설에 따라 설명된 극단적인 경우(박스 1), 다른 박테리아에 의해 생성된 단백질 분해효소 또는 철-켈레이팅 사이드로포어와 같은 필요한 분비 분자를 이용하여 “부정행위”의 대사적 이점은 커뮤니티의 한 구성원을 제외한 모든 구성원에 의해 이러한 공공재를 생산하는 능력을 잃게 할 수 있다. 경쟁사에 대한 다른 이점에도 불구하고 자체 소멸을 피하고자 생산을 계속한다(Morris, 2015). 반대로, 일부 미생물은 그들의 비밀 공공재를 사유화하기 위해 진화할 수 있다. 예를 들어, P. aeruginosa는 “cheater” 균주가 존재하는 상태에서 진화했을 때 사이드로포어 생산을 줄이고 철 가용성을 높이기 위한 대체 화합물 생산을 증가시키는 것으로 나타났다(O’Brien et al., 2017). 경쟁 공동체의 대립 유전자 구성에서 진행 중인 전이의 개념적 예는 그림 3A에 설명되어 있으며, 여기서 민감한 변종에 치명적인 화합물을 생산할 수 있는 킬러 종은 킬러 유전자의 검출 빈도로 측정되어 풍부하게 증가한다. 결과적으로, 돌연변이 사건이 살인자 화합물을 분해할 수 있는 내성적인 혈통이나 심지어 혈통을 낳는 동안 민감한 종들은 풍부하게 감소한다. 이러한 계통들이 풍부하게 증가함에 따라, 킬러 화합물을 생산하는 건강상의 이점은 대사 비용이 초과할 때까지 감소한다. 결국, 돌연변이 사건은 한때 민감했던 계통의 저항이나 분해자 표현형을 극복한 진화된 킬러 계통을 발생시킬 수 있다. 붉은 여왕 가설(상자 1)에 따르면, 전형적으로 기생 관계에 적용되지만, 경쟁 관계에도 적용 가능하며, 한 종에 대한 적응은 경쟁종에 대한 적응을 해야 할 수 있으며, 결과적으로 진화적 군비 경쟁을 초래할 수 있다.

그림 3 공동 지역화 및 경쟁 계통의 진화적 역학
(A) 항생제 생성, 민감, 내성 또는 분해 미생물 표현형과 관련된 적응 역학의 예. 억제 상호 작용이 있는 계통 또는 종 간의 공진화 군비 경쟁의 역학은 피트니스 이점과 피트니스 비용의 주기와 진화된 표현형을 가진 새로운 계통의 출현에 의해 주도된다.
(B) 왼쪽: 진화의 고전적인 지배적인 혈통 모델입니다. 병목 현상이 하드 스위프로 이어져 대립 유전자 고정을 초래할 때까지 중립 변동이 누적됩니다. 새로운 지배적인 혈통이 확립되고(검은 선), 덜 적합한 혈통이 소멸된다(회색 선). 배경색은 특정 계통의 상대적 풍부함을 나타낸다. 맞습니다. 진화의 클론 간섭 모델입니다. 적응형 돌연변이와 다형성 돌연변이는 동시에 발생하며, 계통은 장기간에 걸쳐 경쟁하고 공존한다.

박테리아 관계는 종 간뿐만 아니라 종 내에서도 역동적이며, 계통이 경쟁적으로 공존하기 때문이다. 이론적이고 통제된 체외 실험은 큰 무성 인구의 적응 역학의 주요 요인으로 클론 간섭을 뒷받침했다(그림 3B)(Good et al., 2012, Herron and Doebeli, 2013, Woods et al., 2011). 예를 들어, 체외에서 대식세포에 노출되는 동안 대장균의 실험적 진화는 특히 전자전달계와 관련된 유전자에서 기능적 병렬화(Box 1)를 초래했다(Ramiro et al., 2016). 이러한 적응된 클론은 대식세포 내부에서 적합성 이점을 가지고 있었으며, 많은 유출 펌프가 의존하는 내막에 걸쳐 감소된 양성자-운동력에 의해 매개되는 테트라사이클린과 같은 다른 항생제에 대한 부차적 민감성과 함께 아미노글리코사이드 내성을 증가시켰다. 따라서 실험 진화 실험은 유전적 수준에서 숙주 내 적합성에 중요한 특성을 밝히고 스트레스를 받는 박테리아 집단에 의해 나타나는 적응 역학을 자세히 설명할 수 있다.

그러나 최근의 연구는 생체 내에서 계통 역학을 설명하는 것의 중요성을 강조했다. 예를 들어, 건강한 유아의 대변에서 샘플로 추출한 3개의 대장균 계통 사이의 플라스미드 전이를 보여주는 연구에서(Gumpert et al., 2017) 체내에서 농축된 돌연변이는 체외에서 피트니스 비용을 보였다. 따라서 유전 정보는 명백한 섭동이 없는 경우에도 유동적이며, 시험관 내 종 내 경쟁만으로는 동일한 종의 다른 계통의 상대적 풍부함을 설명할 수 없다. 이는 생리학적으로 관련된 환경에서 코멘셜 및 프로바이오틱스를 포함한 인간 관련 미생물의 적응 및 혈통 진행을 특성화할 필요성을 강조한다(Durrer et al., 2017, Hudson et al., 2014, Hwang et al., 2017).

장내 세균군의 진화

생쥐 내장에서 대장균의 적응 연구에서, YFP와 CFP 태그 부착 대장균은 스트렙토마이신 처리 생쥐에 투여하고 24일에 걸쳐 수집되었으며, 탄수화물 대사와 관련된 적응 돌연변이의 빠른 소프트 스위프(Box 1)로 클론 간섭에 대한 진화 역학 진단을 보여주었으며, 평균 15%와 리치(reachi)의 효과가 컸다. 최대 30%의 피트니스 이점을 제공합니다(Barroso-Batista et al., 2014). 고립된 클론의 전체 게놈 염기서열은 오페론과 유전자 수준에서 진화의 병렬성을 보여주었는데, 모든 클론은 대장균에 대한 억제력이 있고 쥐의 내장에서 자주 발생할 가능성이 있는 갈락티톨 대사에 관련된 가토페론(gat-음성 표현형)에서 불활성화 돌연변이를 보였다. 다수의 클론은 srIR 억제기에서 소르비톨의 대사 능력을 향상한 돌연변이를 가지고 있었고, 혐기성 호흡에 관여하는 막 전달체인 dcuB와 focA, 그리고 아스파르트산의 아스파라긴으로의 전환을 촉매하는 asnA에서 있었다. 흥미롭게도, srIR 및 dcuB 또는 srIR 및 focA에서 추가적인 돌연변이가 있는 gat-음성이지만 dcuB 및 focA가 함께 발생한 적은 없는 삼중 돌연변이는 낮은 비율(6%)로 발생했다. dcuB와 focA는 유사한 기능을 수행하기 때문에, 이는 적응에서 인식(Box 1)의 역할을 시사한다. 대장균의 초기 적응 단계는 유전자 불활성화 또는 변조를 초래하는 삽입 요소(그 중 절반은 조절 영역에서 발생)와 높은 수준의 병렬성 및 클론 간섭으로 특징지어진다. 개트 음성 표현형의 고정 시간 척도(상자 1)는 가비지 후 2일 이내였다. 저자들은 실험 내내 다형성이 높게 유지되는 돌연변이 한계의 증거를 찾지 못했고, 초변성자(상자 1) 균주의 출현을 발견하지 못했으며, 적응된 격리자의 개선된 적합성이 경쟁 실험에서 초기 주파수와 무관하다는 것을 발견했으며, 주파수 의존적 선택(상자)에 대한 역할이 없음을 시사했다(상자 1) 이 경우에는.

위에서 설명한 스트렙토마이신 처리 생쥐에서 대장균의 1년 동안 생체 내 진화 연구(~6,500세대)에서 유사한 선택 징후가 관찰되었다(Lescat et al., 2017). 유전자 불활성화 및 유전자 및 경로 수준 모두에서 계통 간 적응의 병렬화를 위한 강력한 선택(예: 갈락토네이트 오페론, 리보솜 성숙 유전자)이 보고되었다. 돌연변이의 56%는 적어도 두 계통의 대장균에 의해 공유되었다. 저자들은 또한 리보솜 성숙에 관여하는 두 유전자 사이의 인식을 보고했다. 단일 박테리아 종을 사용한 이러한 통제된 진화 실험에서 적응은 첫 번째 척도에 포함된 유형에 의해 지배되었다: 유전자의 다형성과 박테리아 복제를 통해 수직으로 전달되는 오페론 수준.

피부 박테리아 집단의 진화

적은 수의 연구들이 그러한 해상도에서 피부 미생물 구성원들의 숙주 내 진화를 설명했는데, 이는 유전자 배열 결정의 기술적 개선이 도움이 되고 있음에도 불구하고 낮은 농도의 환경을 샘플링하는 것의 어려움 때문일 수 있다. 한 연구에서 13명의 무증상 보균자의 비강에서 분리된 131개의 황색포도상구균이 염기서열을 분석했다. 숙주와 관련된 개체군이 각각 단일 식민지 사건에서 파생되었음을 시사하는 증거와 함께, 숙주 내에서보다 숙주 간에 유전적 변동성이 더 컸다(Golubchik et al., 2013). 중요한 것은 기존 시퀀스 타이핑에 사용되는 다중 초점 시퀀스 타이핑 위치에서 변형 변화가 감지되지 않아 계통 추적에서 전체 게놈 시퀀싱 접근법을 사용하는 것의 중요성을 강조했다는 것이다. 내장에 초점을 맞춘 연구는 적응 진화의 우세를 보고했지만, 이 피부 연구에서 피부 상식에서의 적응 진화는 드물다는 결론이 나왔다. 표면에 고정된 단백질과 엔테로톡신을 코드하는 유전자에서만 검출되었으며, 이는 절대 크기의 큰 변동을 특징으로 하는 독특한 모집단 역학에 기인할 수 있으며, 이는 클리어런스 및 재팽창 기간을 나타낸다. 또 다른 연구는 피부 부위 패널을 세로 방향으로 조사하여 다가성 프로피오니박테리움 아크네스와 S. 표피아미드 개체군에서 개인 관련 SNP 서명의 장기적 안정성에 대한 증거를 발견했다. 이 연구는 KEG 주석을 사용하여 P. acnesones보다 S. 표피류 개체군의 기능적 변화가 더 컸으며, 이는 전자가 보여준 더 넓은 틈새 범위 때문일 수 있다(Oh et al., 2014, Oh et al., 2016). 피부 마이크로바이옴은 국소 선택 압력의 큰 차이, 낮은 생물 다양성, 하위 집단의 구획화, 표본 추출의 용이성(낮은 풍부함에도 불구하고), 그리고 독특하게 외부 세계와의 직접적인 인터페이스로 인해 숙주 내 진화의 미래 연구에 흥미로운 분야이다.

감염 중의 병원체 진화

생체 내 병원성 적응에 대한 관찰 연구는 만성 감염에 대한 질문에 의해 지배되며, 이를 통해 복제와 관련된 고립체를 세로로 비교할 수 있다. 이것들은 외래 미생물에 의한 식민지화를 통해 교란된 마이크로바이옴에 새로운 유전 정보를 추가하는 것을 포함하는 유전자 변화의 세 번째 척도의 이상적인 예이다. 게다가, 침입하는 미생물들은 유전적 변화의 첫 번째 규모에서 그들의 새로운 환경에 적응한다. 낭포성 섬유증(CF) 환자로부터 수백 개의 Burkholderia dolosa 격리자의 전체 게놈 서열 분석은 비병원성 균주의 적응을 탐구하는 연구에서 보듯이 높은 수준의 다형성과 병렬성을 보였다(Lieberman et al., 2014). 환자 내에서 여러 계통이 검출되었지만, 이 계통들은 외막 합성, 퀴놀론 내성, 철 청소 및 리포 다당류 수송에 관련된 유전자를 포함하여 적응 진화하에 있는 것으로 결정된 유전자에서 동의어가 아닌 다형성의 풍부함을 공유했다. 이러한 데이터는 복제 간섭 및 숙주 내 지속적인 게놈 다양성의 존재를 지원하고 감염의 지배적인 계통 모델을 거부한다. 또한, 데이터는 병원체가 생체 내에서 경험한 선택적 압력의 기록을 제공하기 때문에 단일 클론 시퀀싱의 유용성을 입증한다(Lieberman et al., 2014). 비병원성의 생체 내 적응 연구와 달리, 항생제 내성 및 퍼시스터 표현형(Box 1)의 발달과 관련된 초변분자 분리막의 출현이 여기에 보고된다(Jolivet-Gougen et al., 2011, Macia et al., 2011). 별도의 연구에서, 10명의 CF 환자로부터 91명의 Stenotropomonas maltophilia 격리자들이 서열 분석되었고, 3개의 주요 계통에 걸쳐 20개의 다른 서열 유형과 계통 내 지속적인 다형성 이질성을 식별했다(Esposito et al., 2017). 악성 분리균은 돌연변이율이 증가하는 유의한 경향을 보였으며, 이러한 강력한 돌연변이체는 더 큰 항생제 내성과 유의한 관련이 있었다.

또 다른 연구에서는 재발이 모집단의 일부에서만 발생하는 재발성 진균(Cryptococcus spp.) 감염을 가진 18명의 남아프리카 환자의 뇌척수액에서 일련의 분리를 분석하여 재발을 결정하는 적응형 돌연변이가 존재하는지 조사했다(Chen et al., 2017). 재발 감염의 89%는 초기 감염과 동일한 유전자형의 분리에 의해 발생했으며, 이는 퍼시스터 표현형을 나타낸다. C. neoformans var. grubii-coding 영역에서 검출된 29개 SNP 중 3분의 2는 19개 유전자에 걸쳐 분포된 비동의적 돌연변이였으며, 두 번째 재발 샘플을 가진 환자의 경우 첫 번째 재발 격리자와 두 번째 재발 격리자 사이에 SNP의 50%만이 유지되어 감염 동안 많은 비율의 대립 유전자가 고정되지 않은 상태로 남아 있음을 보여주었다. 양성 선택(Box 1)을 받은 유전자에는 독성과 플루코나졸 내성에 관련된 유전자가 포함되었다. 저자들은 질병 결과를 결정하는 데 있어 인간 중추 신경계에 크립토코커스의 미세 진화의 중요성을 주장한다.

서식지 간 마이크로바이옴 교환

DNA의 하위 유전체 영역이 개별 미생물 간에 공유되기 때문에 전체 게놈 또는 게놈 모음이 마이크로바이옴 간에 공유될 수 있으며, 이는 세 번째 유전자 변화의 특징이다. 병원성과 식민지화는 새로운 숙주 틈새를 이용하는 단일 게놈의 잘 알려진 예이지만, 다중 게놈 전달을 지배하는 규칙과 과정은 이제 막 설명되기 시작하고 있다.

마이크로바이옴 전이의 가장 명확한 예 중 일부는 구별 가능한 미생물 군집을 가진 공생쥐를 통해 제공되었다. 영양실조 또는 건강한 말라위 어린이의 마이크로바이옴을 포함하는 공동주택 쥐는 건강한 개체의 미생물이 “건강하지 않은” 마이크로바이옴을 포함하는 쥐에게 생식적으로 전달되었지만, 그 반대는 아니라는 것을 밝혀냈고, 이러한 전달은 건강하지 않은 마이크로바이옴에 의해 야기된 스턴트를 개선시켰다(Blanton et al., 2016). “비만” 또는 “희박한” 마이크로바이옴을 포함하는 공동 주택 마우스를 사용한 연구는 살코기 마이크로바이옴의 구성원이 비만 마이크로바이옴을 포함하는 마우스로 확장되어 체중 증가를 감소시킨다는 것을 보여주었다. 생쥐에게 고지방, 저과일/채소 식단을 먹이면, 이러한 식민지화 패턴이 역전되어(Ridaura et al., 2013), 비만 및 마른 마이크로바이옴이 원래 식단에 적응함을 나타낸다.

메타게놈이 기원 맥락에서 “가장 적합하다”는 생각의 반례로서, 다른 내장 환경의 박테리아가 존재하는 경우에도 토양 박테리아가 생쥐 내장을 지배할 수 있다는 것이 코하우징 실험을 사용하여 입증되었다(Seedorf et al., 2014). 이러한 연구는 미생물 군집화의 결정 요인이 여전히 대부분 알려지지 않았으며 향후 조사의 결실 있는 영역임을 보여준다.

아마도 임상적으로 가장 관련이 있는 마이크로바이옴 전이의 예는 보통 비사회적으로 획득되는 클로스트리디움 디피실 감염(CDI)을 포함하며, 이는 연간 ~50만 명의 감염을 유발하는 것으로 추정되며, 그 중 15% 이상이 재발한다(Vindigni and Surawicz, 2015). 분변 마이크로바이오타 이식(FMT)은 마이크로바이옴의 콜로니제이션 저항성을 회복하는 것을 목표로 하는 재발 CDI에 대한 유망한 치료법이다. 무작위 대조 실험은 건강한 기증자로부터 1-2개의 FMT를 받은 환자의 94%에서 반복 CDI의 해결책을 입증했으며(van Noode et al., 2013), 기타 연구에서도 유사한 성공을 보였다(Brandt et al., 2012, Ray et al., 2014, Rohlke et al., 2010, Youngster et al., 2014). FMT 이후의 마이크로바이옴은 C. 디피실을 대체하기 때문에 더 잘 적응하는 것으로 간주될 수 있으며, 반복되는 CDI와 달리 숙주의 장기적인 식민지화가 지속될 수 있다. 수용자의 내장 마이크로바이옴은 높은 충실도로 기증자의 프로파일과 일치하도록 전환되기 때문에, 높은 수준의 대인관계 변화에도 불구하고, 인간의 내장 생태계를 특징짓는 선택적 압력의 핵심 프로파일이 존재하는 것으로 보인다. 이러한 선택적 압력의 정량적 특성화는 마이크로바이옴 지향 및 파생 치료 분야에서 중요한 미래 과제가 될 것이다.

결론과 미래 전망

요약하면, 다양한 인체 부위의 세균 군집화는 희귀 대립 유전자 고정을 가진 모집단 내에서 지속적인 클론 간섭과 유전자와 오페론 수준의 계통 간 적응적 병렬성을 특징으로 한다. 이러한 적응은 미생물에 대한 탄소 공급원 활용과 관련된 유전자 또는 병원체에 대한 독성 유전자에서 풍부한 것으로 보이며, 병원체에서 종종 초 돌연변이 표현형이 확인되는 반면, 그들은 (아마도 항생제 치료에 대한 반응으로) 공통적으로 존재하지 않는다. 종종 이러한 적응은 문제의 미생물이 숙주 내에서 마주치는 선택적 압력에 대한 시간적 기록을 제공한다. 병원균은 명백한 임상적 관련성을 가지고 있지만, 추가적인 연구는 감염에 대응하는 마이크로바이옴의 다른 구성원의 적응을 설명할 수 있으며, 이는 만성 염증성 질병 결과를 알려줄 수 있다. 또한, 대부분의 혈통 추적 연구는 게놈 조절 영역에서의 적응과 그 영향에 대한 분석이 부족하다. 미래에는 이러한 연구가 전사적 분석으로 보완될 수 있다.

우리가 생물학적 전달과 마이크로바이옴의 조절을 위한 프로바이오틱스를 설계함에 따라, 건강 또는 질병의 맥락에서 장내 프로바이오틱스의 진화 위험을 평가하기 위해 더 많은 작업이 수행되어야 한다. 마찬가지로, 손상되지 않았거나 부분적인 마이크로바이옴의 전달은 치료 가능성을 보여주기 때문에, 새로운 숙주의 질병 상태에 대한 순수 마이크로바이옴의 진화적 반응을 탐구해야 한다. 현재의 기술적 과제에는 상주 균주의 진화와 관련 균주의 침입 사이의 구별과 숙주와 관련된 미생물 집단에서 밀접하게 관련된 균주의 해결이 포함된다. 최근의 기술 및 계산 개선으로 이러한 과제를 해결하는 데 더 가까워졌고 다른 곳에서 검토되었다(Brito and Alm, 2016, Lindgreen 등, 2016, van Dijk 등, 2014). 특히, 메타게놈으로부터 직접 게놈을 조립하는 것은 단독 시퀀싱을 사용하여 변형 수준 변동의 식별을 용이하게 하는 유망한 방법이다(그림 4A)(Sczyrba et al., 2017). 최근 많은 도구들이 메타게놈 조립 능력을 향상시켰다(Boisvert et al., 2010, Burton et al., 2014, Chikhi and Rizk, 2013, Gao et al., 2011, Li et al., 2016, Nurk et al., 2017, Om et al., 2017). 또한, 다중 배양 조건을 질량 분석 또는 시퀀싱 기반 식별과 쌍을 이루는 배양 기술의 발전으로 전통적으로 접근하기 어려운 미생물 구성원의 격리가 가능해졌다(그림 4B). (Browne et al., 2016, Lagier et al., 2016, Lau et al., 2016). 마지막으로, 단일 세포 시퀀싱은 배양에 의해 부과되는 한계를 우회하고 지역사회 내에서 미생물 적응을 식별하는 데 필요한 분해능을 제공한다(그림 4C)(Gawad et al., 2016). 흥미로운 미래 전망은 질병의 맥락에서 환자 결과에 대한 변형 수준 변동의 개선된 상관관계이며, 이는 보다 개인화된 치료 전략을 가능하게 할 수 있다. 이를 위해서는 숙주 내 결정적 미생물의 복잡한 진화 역학을 이해하는 데 더 많은 투자가 필요하다.

그림 4 현장에서 숙주 관련 미생물의 진화를 연구하는 미래 방향
(A–C) 공동체 내의 개별 미생물의 진화를 연구하는 근본적인 과제는 시간이 지남에 따라 다형성을 특정 계통과 연관시키는 능력이다. 최근 큰 발전을 이룬 이 장벽을 극복하기 위한 세 가지 접근법은 메타게놈 어셈블리(A), 차세대 배양(B), 단세포 시퀀싱(C)이다.