Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1059410.32607/20758251-2013-5-3-116-125Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticleMetagenomic Analysis of the Dynamic Changes in the Gut Microbiome of the Participants of the MARS-500 Experiment, Simulating Long Term Space FlightМетагеномный анализ динамики изменений состава микробиома кишечника участников эксперимента «МАРС-500», имитирующего длительный космический полетMardanovA. V.МардановA. в.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruBabykinM. M.БабыкинM. M.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruBeletskyA. V.БелецкийA. В.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruGrigorievA. I.ГригорьевA. И.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruZinchenkoV. V.ЗинченкоВ. В.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruKadnikovV. V.КадниковВ. В.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruKirpichnikovM. P.КирпичниковM. П.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruMazurA. M.МазурA. M.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruNedoluzhkoA. V.НедолужкоA. В.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruNovikovaN. D.НовиковаН. Д.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruProkhortchoukE. B.ПрохорчукЕ. Б.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruRavinN. V.РавинН. В.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruSkryabinK. G.СкрябинK. Г.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruShestakovS. V.ШестаковС. В.
Russian Federation
shestakovgen@mail.ruCentre “Bioengineering”, Russian Academy of SciencesЦентр «Биоинженерия» РАНLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваRussian Federation State Research Center Institute of Biomedical Problems RAS (IBMP)Институт медико-биологических проблем РАНBiological Faculty, Lomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. Ломоносова1509201353VOL 5, NO3 (2013)ТОМ 5, №3 (2013)11612517012020Copyright ©; 2013, Mardanov A.V., Babykin M.M., Beletsky A.V., Grigoriev A.I., Zinchenko V.V., Kadnikov V.V., Kirpichnikov M.P., Mazur A.M., Nedoluzhko A.V., Novikova N.D., Prokhortchouk E.B., Ravin N.V., Skryabin K.G., Shestakov S.V.Copyright ©; 2013, Марданов A.в., Бабыкин M.M., Белецкий A.В., Григорьев A.И., Зинченко В.В., Кадников В.В., Кирпичников M.П., Мазур A.M., Недолужко A.В., Новикова Н.Д., Прохорчук Е.Б., Равин Н.В., Скрябин K.Г., Шестаков С.В.2013Mardanov A.V., Babykin M.M., Beletsky A.V., Grigoriev A.I., Zinchenko V.V., Kadnikov V.V., Kirpichnikov M.P., Mazur A.M., Nedoluzhko A.V., Novikova N.D., Prokhortchouk E.B., Ravin N.V., Skryabin K.G., Shestakov S.V.Марданов A.в., Бабыкин M.M., Белецкий A.В., Григорьев A.И., Зинченко В.В., Кадников В.В., Кирпичников M.П., Мазур A.M., Недолужко A.В., Новикова Н.Д., Прохорчук Е.Б., Равин Н.В., Скрябин K.Г., Шестаков С.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10594

A metagenomic analysis of the dynamic changes of the composition of the intestinal microbiome of five participants of the MARS-500 experiment was performed. DNA samples were isolated from the feces of the participants taken just before the experiment, upon 14, 30, 210, 363 and 510 days of isolation in the experimental module, and two weeks upon completion of the experiment. The taxonomic composition of the microbiome was analyzed by pyrosequencing of 16S rRNA gene fragments. Both the taxonomic and functional gene content of the microbiome of one participant were analyzed by whole metagenome sequencing using the SOLiD technique. Each participant had a specific microbiome that could be assigned to one of three recognized enterotypes. Two participants had enterotype I microbiomes characterized by the prevalence of Bacteroides, while the microbiomes of two others, assigned to type II, were dominated by Prevotella. One participant had a microbiome of mixed type. It was found that (1) changes in the taxonimic composition of the microbiomes occurred in the course of the experiment, but the enterotypes remained the same; (2) significant changes in the compositions of the microbiomes occurred just 14-30 days after the beginning of the experiment, presumably indicating the influence of stress factors in the first stage of the experiment; (3) a tendency toward a reversion of the microbiomes to their initial composition was observed two weeks after the end of the experiment, but complete recovery was not achieved. The metagenomic analysis of the microbiome of one of the participants showed that in spite of variations in the taxonomic compositions of microbiomes, the “functional” genetic composition was much more stable for most of the functional gene categories. Probably in the course of the experiment the taxonomic composition of the gut microbiome was adaptively changed to reflect the individual response to the experimental conditions. A new, balanced taxonomic composition of the microbiome was formed to ensure a stable gene content of the community as a whole without negative consequences for the health of the participants.

Проведен метагеномный анализ динамики изменений состава микробиоты кишечника пяти участников эксперимента «МАРС-500». Анализировали препараты ДНК из проб фекалий, взятых до нача ла эксперимента, через 14, 30, 210, 363, 510 дней пребывания испытателей в изолированном модуле и через 2 недели после выхода из него. Таксономический состав микробиоты определяли по результатам пиросек венирования амплифицированных фрагментов генов 16S рибосомной РНК. У одного участника с помощью полногеномного секвенирования по технологии SOLiD определяли таксономический и функциональный состав микробиоты. Каждый участник имел индивидуальный состав микробиоты, относящийся к одному из трех энтеротипов. Для двух участников характерен энтеротип I с преобладанием Bacteroides, у двух дру гих выявлен энтеротип II с доминированием Prevotella. У одного участника состав микробиоты относится к смешанному типу. Установлено, что (1) в ходе эксперимента таксономический состав микробиоты каждого из участников изменялся, но без смены энтеротипа; (2) изменения в соотношении различных таксонов на блюдались через 14–30 дней, что могло быть следствием влияния стрессовых факторов уже на первом этапе эксперимента; (3) через 2 недели после выхода из модуля отмечена тенденция к восстановлению исходного состава микробиоты, однако полного восстановления не происходило. Метагеномный анализ микробиоты одного из участников показал, что, несмотря на изменения в таксономическом составе, сохранялось постоянство генного состава по большинству функциональных категорий. Предполагается, что в экосистеме кишечника каждого из участников происходила адаптивная перестройка таксономического состава микробиоты, отражающая индивидуальный ответ на воздействия условий эксперимента. При этом формировался новый сбалансированный таксономический состав микробиоты с функциональной компенсацией на уровне поддержания устойчивого генного состава в целостном сообществе без негативных последствий для состоя ния здоровья участников эксперимента.

metagenomicsintestinal microbiotastressful influencesenterotypesметагеномикамикробиота кишечникастрессовые воздействияэнтеротипыThis work was supported by the Development Program of Lomonosov Moscow State University until 2020.Работа поддержана программой развития ФГОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова» до 2020 года.[1] Huttenhower C., Gevers D., Knight R., Abubucker S., Badger J.H., Chinwalla A.T., Creasy H.H., Earl A.M., FitzGerald M.G., Fulton R.S. // Nature 2012, V.486, P.207-214[2] Methe B.A., Nelson K.E., Pop M., Creasy H.H., Giglio M.G., Huttenhower C., Gevers D., Petrosino J.F., Abubucker S., Badger J.H. // Nature 2012, V.486, P.215-221[3] Qin J., Li R., Raes J., Arumugam M., Burgdorf K.S., Manichanh C., Nielsen T., Pons N., Levenez F., Yamada T. // Nature 2010, V.486, P.59-65[4] Kinross J.M., von Roon A.C., Holmes E., Darzi A., Nicholson J.K. // Curr. Gasrtoenterol. Rep. 2008, V.464, P.396-403[5] Shestakov S.V. // Biology Bulletin Rev 2011, V.1, №2, P.83-93[6] Blumberg R., Powrie F. // Science Translational Medicine. 2012, V.4, №137, P.137rv7[7] Claesson M.J., Cusack S., O’Sullivan O., Greene-Diniza R., de Weerd H., Flannery E., Marchesi J., Falush D., Dinanb T., Fitzgeral G. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011, V.8, SSuppl. 1, P.4586-4591[8] Turnbaugh P.J., Quince C., Faith J.J., Yatsunenko T., Niazi F., Affourtit J., Egholm M., Henrissat B., Knight R., Gordon J.I. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010, V.7, P.7503-7508[9] Jalanka-Tuovinen J., Salonen A., Nikkila J., Immonen Q., Kekkonen R., Lahti L., Palva A., de Vos W. // PLoS One. 2011, V.6, P.e23035[10] Tap J., Mondot S., Levenez F., Pelletier E., Caron C., Furet J-P., Ugarte E., Munoz-Tamayo R., Paslier D.L.E., Nalin R., Dore J., Leclerc M. // Environ. Microbiol. 2009, V.11, №10, P.2574-2584[11] Willing B.P., Dicksved J., Halvorson J., Andersson A.F., Lucio M., Zheng Z., Jarnerot G., Tysk C., Jansson J.K., Engstrand L. // Gastroenterology. 2010, V.139, P.1844-1854[12] Frank D.N., St.Amand A.L., Feldman R.A., Boedeker E.C., Harpaz N., Pace N.R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007, V.104, P.13780-13785[13] Dethlefsen L., Huse S., Sogin M.L., Relman D.A. // PLoS Biol. 2008, V.6, P.e280[14] Dethlefsen L., Relman D.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2011, V.108, P.4554-4561[15] Robinson C.J., Bohannan B.J.M., Young V.B. // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2010, V.74, №3, P.453-476[16] Wu G.D., Chen J., Hoffmann C., Bittinger K., Chen Y.-Y., Keilbaugh S.A., Bewtra M., Knights D., Walters W.A., Knight R. // Science. 2011, V.334, P.105-108[17] Claesson M.J., Jeffery I.B., Conde S., Power S.E., O’Connor E.M., Cusack S., Harris H.M.B., Coakley M., Lakshminarayanan M., O’Sullivan O. // Nature 2012, V.488, P.178-184[18] Lutgendorff F., Akkermans L.M.A., Soderholm J.D. // Curr. Mol. Med. 2008, V.8, P.282-298[19] Phillips M.L. // Environmental Health Perspectives. 2009, V.117, P.199-205[20] Sharkey K.A., Mawe G.M. // ature Rev. Gastroenterology, Hepatology. 2012, V.9, P.74-76[21] Lebedev V.V. // Herald of the Russian Academy of Sciences. 2010, V.80, №11, P.1000-1004[22] Grigoriev A.I., Egorov A.D. // Man in a space flight. // Airspace biology and medicine. M. Science. 1997. 1997, V.3, №2, P.368-447[23] Lizko N.N. // Nahrung. 1987, V.31, P.443-447[24] Lizko N.N. // Vestnik RAMS. 1996, V.8, P.31-34[25] Ilyin V.K., Batov A.B., Novikova N.D., Mukhamedieva L.N., Poddubko S.V., Gegenava A.V., Mardanov R.G., Solovieva Z.O., Skedina M.A. // Aviakosmicheskaya i Ekologicheskaya Meditsina (Aerospace and Ecological Medicine). 2010, V.44, №4, P.52-57[26] Ushakov I.B. // Abst. Intern. Symp. Results of the experiments simulating manned mission to Mars (MARS-500). Moscow. 2012. 2012, P.46-65[27] Morukov B.V., Belakovsky M.S., Demin E.P., Suvorov A.V. // Abst. Intern. Symp. Results of the experiments simulating manned mission to Mars (MARS-500). Moscow. 2012. 2012, P.44[28] Salonen A., Nikkila J., Jalanka-Tuovinen J., Immonen O., Rajilic-Stojanovic M., Kekkonen R.A., Palva A., de Vos W. // J. Microbiol. Methods. 2010, V.81, P.127-134[29] Cole R., Wang Q., Cardenas E., Fish J., Chai B., Farris R.J., Kulam-Syed-Mohideen A.S., McGarrell D.M., Marsh T., Garrity G. M., Tiedje J. M. // Nucleic Acids Research 2009, V.37, P.D141-D145[30] Simpson J.T., Wong K., Jackman S.D., Jones S.J.M., Birol I. // Genome Res. 2009, V.19, №6, P.1117-1123[31] Rho M., Tang H., Ye Y. // Nucleic Acid Res. 2010, V.38, №20, P.e191[32] Kent W.J. // Genome Res. 2002, V.12, P.656-664[33] Benson D.A., Karsch-Mizrachi I., D.J.Lipman I.O., J.Ostell I.O., E.W.Sayers. I.O. // Nucleic Acid Research. 2011, V.39, P.D32-D37[34] Kanehisa M., Araki M., Goto S., Hattori M., Hirakawa M., Itoh M., Katayama T., Kawashima S., Okuda S., Tokimatsu T., Yamanishi Y. // Nucleic Acids Research 2008, V.36, SSuppl. 1, P.D480-D484[35] Overbeek R., Begley T., Butler R.M., Choudhuri J.V., Chuang H-Y., Cohoon M., de Crecy-Lagard V., Diaz N., Disz T., Edwards R. // Nucleic Acids Research 2005, V.33, №17, P.5691-5702[36] Apweiler R., Martin M.J., O’Donovan C., Magrane M., Alam-Faruque J., Antunes R., Barrell D., Bely B., Bimgley M., Binns D. // Nucleic Acids Research 2011, V.39, P.D214-D219[37] Langmead B., Trapnell C., Pop M., Salzberg S.L. // Ultrafast // Genome Biol. 2009, V.10, №3, P.R25[38] Eckburg P.B., Bik E.M., Bernstein C.N., Purdom E., Dethlefsen L., Sargent M., Gill S.R., Nelson K.E., Relman D.A. // Science. 2005, V.308, P.1635-1668[39] Claesson M.J., O’Sullivan O., Wang Q., Nikkila J., Marchesi J.R., Smidt H., de Vos W.M., Ross R.P., O’Toole P.W. // PLoS One. 2009, V.4, P.e6669[40] O’Toole P.W., Claesson M.J. // Intern. Dairy J. 2010, V.20, P.281-291[41] Arumugam M., Raes. J., Pelletier E., Le Paslier D., Yamada T., Mende D.R., Fernandes G.R., Tap J., Bruls T., Batto J.-M. // Nature 2011, V.473, P.174-180[42] Huse S.M., Ye Y., Zhou V., Fodor A.A. // PLoS One. 2012, V.7, P.e34242[43] Jeffrey I.B., Claesson J., O’Toole P.W. // arure Microbiol. Rev. 2012, V.10, P.591-592[44] Frank D.N., Pace N.R. // Curr. Opin. Gastroenterol. 2008, V.24, P.4-10[45] Ley R.E., Turnbaugh P.J., Klein S., Gordon J.I. // Nature 2006, V.444, P.1022-1023[46] Schwiertz A., Taras D., Schafer K., Beijer S., Bos N.A., Donus C., Hardt P.D. // Obesity. 2009, V.18, P.190-195[47] Jerenberg C., Lofmark S., Edlund C., Jansson J.K. // ISME J. 2007, V.1, P.55-61[48] Bratlie M., Johansen J., Sherman B.T., Huang D.W., Lempicki R.A., Drablos F. // BMC Genomics. 2010, V.11, P.588[49] Anderson J.K., Smith T.G., Hoover T.R. // Trends Microbiol. 2010, V.118, №1, P.30-37[50] Smillie C.S., Smith M.B., Friedman J., Cordero O.X., David L.A., Alm E.J. // Nature 2011, V.480, P.241-244