UW обнаружили, что более высокие температуры на уровнях, ожидаемых согласно большинству прогнозов изменения климата, могут привести к более высоким концентрациям мышьяка в рисовых зернах.Марк Стоун / Вашингтонский университет

Люди во всем мире ежедневно употребляют рис. Но в дополнение к своим питательным веществам и калорийности рис может содержать небольшое количество мышьяка, который в больших дозах является токсином, связанным с множеством заболеваний и раком, связанным с питанием.

Теперь исследователи из Вашингтонского университета обнаружили, что более высокие температуры, ожидаемые в соответствии с большинством прогнозов изменения климата, могут привести к более высоким концентрациям мышьяка в рисовых зернах.Команда представит эти результаты 10 декабря на осеннем собрании Американского геофизического союза в Сан-Франциско.

«Мы знаем, что больше мышьяка выделяется из почвы при более высоких температурах. Здесь мы увидели, как эта реакция на температуру почвы влияет на содержание мышьяка в рисовом зерне », — сказала старший автор Ребекка Нойманн, доцент кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды из Университета штата Вашингтон. «Мы работали с почвой, в которой был относительно низкий уровень мышьяка, но более высокие температуры по-прежнему приводили к увеличению концентрации мышьяка в зернах в тех диапазонах, где у нас начинаются проблемы со здоровьем.Если эти результаты являются репрезентативными для того, что мы могли бы ожидать от риса, выращенного в полевых условиях, то изменение климата может обострить проблему риса, загрязненного мышьяком ».

Рис в Камбодже Марк Стоун / Вашингтонский университет

Мышьяк естественным образом встречается в почве, хотя его концентрация выше в районах, где исторически использовались гербициды на основе мышьяка или где поливная вода содержит мышьяк. Когда фермеры выращивают такие культуры, как рис, в условиях затопления, мышьяк вытягивается из почвы в воду.

«В общем, растение похоже на большую трубку или соломинку, поскольку оно всасывает воду от корней к листьям. А рис естественным образом поглощает мышьяк, потому что мышьяк имитирует другие молекулы, которые эти растения преимущественно вытягивают из почвы », — сказала ведущий автор Ясмин Фархат, докторант Университета штата Вашингтон в области гражданской и экологической инженерии. «Это идеальный шторм для концентрации мышьяка».

Чтобы определить, будет ли рис поглощать больше мышьяка в более теплых условиях, команда собрала почву с рисового поля в Дэвисе, Калифорния.Вернувшись в Сиэтл, исследователи выращивали рис на этой почве в камерах с регулируемой температурой.

Они сравнили поглощение мышьяка в четырех различных температурных условиях. Некоторые растения выращивали в нормальных для этой части Калифорнии условиях: в среднем в течение дня 77 градусов по Фаренгейту (25 C). Другие выращивались при постепенно более высоких температурах, отражающих различные потенциальные уровни потепления для этого региона к концу этого столетия: 82 F (28 C), 87 F (30,5 C) и 91 F (33 C).Ночные температуры были на 3,6 F (2 C) ниже, чем дневные для всех растений.

По мере того, как температура повышалась, команда увидела увеличение поглощения мышьяка каждой частью растения, на которую смотрели исследователи, включая зерна риса.

«Для стебля и листьев это явный скачок в концентрации мышьяка при повышении температуры», — сказал Фархат. «Что касается зерна, то самая высокая температура вызвала у растений такой стресс, что они не дали зерна. Но эти два других прогноза повышения температуры показывают аналогичное увеличение содержания мышьяка в рисовых зернах. Концентрация мышьяка в зерне увеличилась более чем в три раза между низко- и высокотемпературной обработкой ».

Ясмин Фархат также изучает качество риса в Камбодже Марк Стоун / Вашингтонский университет

Мышьяк — это токсин и для рисовых растений, и у них есть механизмы защиты от его более высоких уровней. Один из методов включает включение белка, который связывает мышьяк в определенных клетках и тканях растения. Но когда исследователи измерили уровни экспрессии этого белка в своих растениях при более высоких температурах, они не увидели разницы по сравнению с растениями, выращиваемыми при относительно низких температурах сегодня.

«Возможно, концентрация мышьяка в нашей почве была настолько низкой, что растение не« осознавало »необходимость включения своего защитного механизма», — сказал Фархат. «Мы не особо беспокоились об этих системах с низким содержанием мышьяка, но наши данные показывают, что по мере того, как температура начинает нагреваться, даже рис, выращенный на почве с низким содержанием мышьяка, может подвергаться риску наличия более высокого уровня мышьяка в зернах».

• Чтобы узнать больше о том, как Ребекка Нойман изучает мышьяк в озерах Пьюджет-Саунд, прочтите этот рассказ.
• Для получения дополнительной информации о повсеместном присутствии мышьяка в естественной и сельскохозяйственной среде и о том, как это влияет на пищу, которую мы едим, посмотрите недавний доклад Ребекки Нойманн.
• Для получения дополнительной информации о работе Ясмин Фархат по изучению качества риса в Камбодже, см. Этот рассказ.

Некоторые формы мышьяка более токсичны, чем другие. В настоящее время команда сотрудничает с исследователями из UW Tacoma, чтобы разработать метод, который позволит им увидеть, какие формы мышьяка содержатся в различных частях растения.Таким образом, они смогут лучше понять любые потенциальные риски для здоровья людей.

«Мышьяк во всех формах вреден для нас, и он также вреден для растений», — сказал Фархат. «Увеличение содержания мышьяка может снизить урожайность сельскохозяйственных культур. Это может быть экономически плохо для фермеров, выращивающих рис. Я хочу, чтобы люди помнили, даже если они не едят много риса, многие люди в значительной степени полагаются на этот урожай. Когда мы думаем и планируем будущее, мы должны помнить, что рис затрагивает множество людей, и мы должны работать вместе над этим.”

Другие соавторы: Су-Хён Ким, профессор экологии и лесных наук из Университета штата Вашингтон; Стюарт Стрэнд, профессор гражданской и экологической инженерии из Университета штата Вашингтон; и Лонг Чжан, научный сотрудник из Университета штата Вашингтон в области гражданского строительства и охраны окружающей среды. Это исследование финансировалось премией Вашингтонского университета за инновации, Национальным научным фондом инноваций в рамках премии «Связь пищевых, энергетических и водных систем» и стипендией Национального научного фонда для аспирантов.

За дополнительной информацией обращайтесь в Neumann по адресу rbneum @ uw.edu и Фархат: yfarhat@uw. edu.

Номер гранта: 1740042

Узнайте больше об Инициативе UW по охране здоровья населения: 25-летняя междисциплинарная работа, направленная на понимание и решение самых серьезных проблем, с которыми сталкиваются сообщества.

Микробиом кишечника необходим для полной защиты от острой токсичности мышьяка на моделях мышей.

Нарушение микробиома влияет на экскрецию / биоаккумуляцию мышьяка. -типа (WT) мышей, получавших цефалоспориновый антибиотик цефоперазон (Cef).Этот препарат снижает общую бактериальную нагрузку у мышей примерно на 3 порядка и значительно изменяет таксономический состав

Значительно меньше мышьяка было выделено со стулом мышей, получавших Cef (на 87 ± 6% меньше в группе 25 ppm и на 93 ± 3% меньше в группе 100 ppm) по сравнению с аналогами, получавшими имитацию (рис. 1a). Эти результаты предполагают, что у мышей, получавших Cef, оставалось больше мышьяка, а оценка органов подтвердила общее накопление мышьяка ( p <0,0001, 25 ppm; p = 0. 0003, 100 частей на миллион; двусторонний дисперсионный анализ). План эксперимента не позволял определить, могут ли определенные органы накапливать мышьяк с большей вероятностью, но мы наблюдали значительное накопление в легких ( p <0,0001) и печени ( p = 0,025) после поправки на множественные сравнения (рис. 1б). Вместе эти результаты подтверждают гипотезу о том, что микробиом смягчает воздействие на хозяина и поглощение проглоченных iAs ^V посредством фекальной экскреции.

Уровни мышьяка в кале и тканях хозяина мышей C57BL / 6 дикого типа.Обработка цефоперазоном (Cef) и имитацией была начата за 48 часов до воздействия неорганического арсената натрия (iAs ^V ) в питьевой воде при концентрации 25 ppm (слева) или 100 ppm (справа). Для экспозиций 25 ppm всего 20 мышей использовали в двух повторных экспериментах ( n = 5 мышей на группу обработки; ткань от одной мыши в группе Sham была потеряна во время обработки). При экспозиции 100 ppm (справа) всего 10 мышей были использованы для исследования экскреции фекалий ( n = 5, Sham; n = 5, Cef), и был добавлен дополнительный (повторный) эксперимент для биоаккумуляции тканей (an дополнительных 8 мышей; n = 5, Sham; n = 3, Cef).Групповые средние значения показаны на всех графиках (диаграммы разброса и гистограммы), а полосы ошибок представляют 95% доверительный интервал среднего. a Значительно более низкие уровни мышьяка выделялись с фекалиями мышей, обработанных Cef, начиная через 24 часа после воздействия обеих доз ( p <0,0001, двухфакторный дисперсионный анализ после логарифмической трансформации). b Значительно более высокие уровни мышьяка, накопленные в органах мышей, получавших Cef, после 14 дней воздействия (25 ppm, p <0.0001; 100 ppm, p = 0,0003, двухфакторный дисперсионный анализ после преобразования квадратного корня) с наибольшими различиями для легких (25 ppm) и печени (100 ppm). p -Значения в b были скорректированы для множественных сравнений (тест множественных сравнений Сидака)

As3mt и микробиом необходимы для защиты

У указанных выше мышей было мало признаков заболевания, за исключением двух группа 100 ppm была найдена мертвой). Это согласуется по крайней мере с двумя другими исследованиями мышей дикого типа, в которых не наблюдалось смертности при воздействии 25 и 100 частей на миллион iAs ^{V 10,14} или более токсичного трехвалентного арсенита (iAs ^III ) для минимум 4 недели ¹⁰ .В отличие от мышей WT, мыши с дефицитом метилтрансферазы (As3mt-KO) мышьяка (со степенью окисления +3) дисфункциональны в отношении метилирования мышьяка ¹⁵ , накапливают больше внутриклеточных включений в уротелиальной ткани во время воздействия мышьяка ¹⁰ и имеют повышенное общее содержание мышьяка. -индуцированная цитотоксичность ^9,12 . Мы предположили, что мыши As3mt-KO будут более чувствительны к высоким дозам мышьяка по сравнению с мышами WT, и что токсичность возрастет после нарушения микробиома. Смертность, индуцированная iAs ^V у мышей As3mt-KO при воздействии 25 ppm iAs ^V , не сообщалось, и, как и ожидалось, не наблюдалось токсичности у мышей, обработанных имитацией As3mt-KO, подвергшихся воздействию 25 ppm iAs ^V для до 22 дней. Однако такой же уровень воздействия оказался летальным у половины мышей As3mt-KO, обработанных Cef, к 12 дню (рис. 2а). При 100 ppm iAs ^V смертность наблюдалась в группах, обработанных как Sham, так и Cef (рис. 2b), но была более быстрой у мышей с нарушенным микробиомом ( p = 0.003, тест Мантеля – Кокса).

Выживание мышей, подвергнутых воздействию iAs ^V , Cef-обработанных, ложно обработанных и GF As3mt-KO мышей. Обработка Cef и Sham была начата за 48 часов до воздействия iAs ^V в питьевой воде при 25 ppm ( a ) или 100 ppm ( b ). a Для воздействия 25 ppm в четырех повторных экспериментах использовалось всего 40 мышей (по пять мышей на группу обработки). b Для воздействия 100 ppm всего 19 мышей использовали в двух повторных экспериментах (четыре или пять мышей на группу обработки).Выживаемость мышей, получавших Cef, была значительно ниже по сравнению с мышами, получавшими Sham, при воздействии как 25 ppm ( p <0,0001, тест Мантела-Кокса), так и 100 ppm ( p = 0,0032, тест Mantel-Cox). Для мышей GF As3mt-KO ( c ) три группы подвергались воздействию возрастающих уровней iAs ^V (т. Е. Две повторяющиеся клетки из четырех или пяти мышей подвергались воздействиям 10 и 100 ppm, а одна клетка из четырех мышей подвергали воздействию 25 ppm) вместе с группой отрицательного контроля обычных мышей As3mt-KO (одна клетка из пяти мышей).Среди этих групп наблюдалась дозозависимая выживаемость. Хотя смертность наблюдалась у мышей GF As3mt-KO, подвергнутых воздействию 10 частей на миллион, выживаемость существенно не отличалась по сравнению с обычными, ложно обработанными мышами As3mt-KO, подвергнутыми воздействию 10 частей на миллион ( p = 0,2274, тест Мантела-Кокса). Выживаемость была значительно ниже у мышей GF As3mt-KO, подвергшихся воздействию как 25 частей на миллион ( p = 0,0050, тест Мантела-Кокса), так и 100 частей на миллион ( p = 0,0014, тест Мантела-Кокса) по сравнению с обычными, ложно обработанными As3mt. -КО мышей.Выживаемость была также значительно ниже у мышей GF As3mt-KO, подвергнутых воздействию 100 ppm по сравнению с 25 ppm ( p = 0,0031, тест Мантела-Кокса)

Для количественной оценки выживаемости в отсутствие микробиома, линия GF As3mt-KO мышей были получены и подвергались воздействию возрастающих количеств iAs ^V . Дозозависимая смертность наблюдалась у мышей, подвергшихся воздействию 10, 25 и 100 ppm iAs ^V (рис. 2c), что свидетельствует о повышении токсичности с увеличением воздействия. Для сравнения, линия GF мышей WT подвергалась воздействию iAs ^V (25 и 100 ppm).Смертность наблюдалась только у 2 из 22 мышей WT, подвергшихся воздействию 100 ppm iAs ^V в течение 40 дней (по одной на 19 и 38 дни). Следовательно, как As3mt, так и неповрежденный микробиом кишечника необходимы для полной защиты от токсичности мышьяка в этой модели мышей. Наконец, мы проверили гипотезу о том, что лечение Cef каким-то образом увеличивает токсичность iAs ^V . Сроки предварительной обработки антибиотиком у обычных мышей As3mt-KO были изменены, а выживаемость мышей GF As3mt-KO была количественно оценена с обработкой Cef и без нее (дополнительный рис.1). Не было доказательств того, что Cef увеличивал токсичность iAs ^V , и поэтому токсичность iAs ^V , вероятно, была единственным определяющим фактором смертности.

Трансплантация стула человека обеспечивает полную защиту

Бактерии в стуле человека обладают генами, кодирующими ферменты, активные по отношению к мышьяку ¹⁶ , которые могут биохимически трансформировать мышьяк in vitro ^3,4,17 , а гены, кодирующие активные ферменты мышьяка, присутствуют в организме человека базы данных бактериального генома кишечника ¹⁶ . Помимо таких прямых взаимодействий фермент-мышьяк, бактерии могут также обеспечивать косвенную пользу хозяину во время воздействия мышьяка, производя метаболиты, которые в противном случае обеспечивают выведение и восстановление тканей. Однако способность микробиома кишечника человека обеспечивать защиту хозяину-млекопитающему никогда не оценивалась количественно. Учитывая их гиперчувствительность к мышьяку, мышей GF As3mt-KO использовали для определения того, может ли микробиом человека обеспечивать защиту от мышьяка. Перед воздействием iAs ^V этим мышам трансплантировали стул от здорового донора-человека.Человек-донор сознательно не подвергался воздействию мышьяка и пил воду из регулируемого муниципального источника в США. Пересаженный стул был установлен у реципиентов GF мышей As3mt-KO (обозначенных как F0) за 10 дней до воздействия мышьяка. Параллельно тот же стул пересаживали беременным, самкам GF As3mt-KO, чтобы потомство (F1) могло развиваться с этим микробиомом с рождения. Мы предположили, что мыши F1 будут иметь повышенную защиту от мышьяка из-за раннего развития в присутствии человеческого микробиома.В экспериментах, где мышей F1 выращивали примерно до того же возраста на момент воздействия, что и мышей F0, трансплантированный человеческий стул обеспечивал полную защиту от 100 ppm iAs ^V , независимо от времени получения микробиома (рис. 3a) и средней выживаемости обоих. Группы F0 и F1 существенно не отличались от обычных мышей As3mt-KO ( p = 0,3335, тест Mantel – Cox). Эти результаты подтверждают in vivo доказательства того, что микробиом кишечника человека обеспечивает защиту от смертности, вызванной мышьяком.

Выживание гуманизированных мышей As3mt-KO, подвергшихся воздействию iAs ^V . Группы мышей As3mt-KO (т.е. две или три повторяющиеся клетки, содержащие от двух до пяти мышей каждая) получали фекальный трансплантат от здорового донора-человека (гуманизированного) либо за 10 дней до воздействия iAs ^V (F0), либо при рождении. от гуманизированной плотины (F1). a Выживаемость групп F0 и F1 существенно не отличалась по сравнению с обычными мышами As3mt-KO, получавшими фиктивную терапию после воздействия 100 ppm iAs ^V (F0, p = 0.6500; F1, p = 0,1887; Тест Мантела – Кокса), но выживаемость в обеих группах была значительно выше, чем у GF As3mt-KO ( p <0,0001, тест Мантела – Кокса). Пять групп гуманизированных мышей As3mt-KO, каждая из которых представляет уникального донора человеческого микробиома, подвергались воздействию 100 ч / млн iAs ^V (от двух до четырех повторяющихся клеток на группу). b Медиана выживаемости во всех группах доноров была значительно выше, чем у мышей GF As3mt-KO ( p ≤ 0,0014, попарно Mantel – Cox), и эквивалентна или выше, чем у обычных мышей, получавших имитацию.Также наблюдались значительные различия в выживаемости среди различных гуманизированных групп ( p = 0,0030, Mantel – Cox). Парные сравнения (тест Мантела – Кокса) показаны в дополнительной таблице 4. Выживаемость GF и обычного, ложно обработанного As3mt-KO из предыдущих цифр (рис. 2c и b, соответственно) показаны на обеих панелях для сравнения

Донор- зависимые вариации в защите от мышьяка

Микробиомы кишечника человека сильно различаются по видовому составу у разных людей. Поэтому мы проверили, изменяется ли защита хозяина в зависимости от индивидуального состава микробиома, используя пять групп мышей GF As3mt-KO, подвергнутых воздействию iAs ^V , которые получили трансплантаты стула от разных здоровых взрослых доноров.Мышей GF As3mt-KO гуманизировали и подвергали воздействию 100 м.д. iAs ^V , как описано выше (то есть мышей F0). Все группы гуманизированного микробиома выжили значительно дольше, чем группа GF As3mt-KO ( p ≤ 0,0014, тест Мантела-Кокса, дополнительная таблица 2). Однако значительно различалась выживаемость между гуманизированными группами мышей ( p <0,0001, тест Мантела-Кокса) со средним временем выживания в диапазоне от 17 до 36 дней (рис. 3b; дополнительная таблица 3). Независимые (повторные) эксперименты были выполнены с использованием двух донорских групп; один, обеспечивающий лучшую защиту, чем другой.Хотя медиана выживаемости несколько различалась (дополнительный рисунок 2), общий эффект был воспроизводимым (т. Е. Средняя выживаемость была больше в одной группе в обоих повторах; агрегированные данные для повторов использовались для всех анализов). Таким образом, трансплантация стула человека выявила межиндивидуальные различия в защите от токсичности мышьяка.

Для выявления паттернов бактериального разнообразия, лежащего в основе выживания, мы провели секвенирование гена 16S рРНК в образцах стула гуманизированных мышей в начале воздействия мышьяка (день 0) и снова на 7 день перед любой смертностью.Анализ разреженности показал, что разумный охват секвенированием был получен во всех образцах (дополнительный рисунок 3). Микробиомы гуманизированных мышей были значительно более похожими внутри донорских групп (то есть мышей с одним и тем же донором), чем между донорскими группами ( p = 0,001, ANOSIM; рис. 4a). Несмотря на эти специфические для доноров паттерны, значительные изменения в структуре микробиома (т.е. присутствие-отсутствие и относительное обилие таксонов) наблюдались во всех группах между 0 и 7 днями воздействия мышьяка ( p ≤ 0.013, АНОСИМ; Дополнительная таблица 4). Эти результаты подтверждают предыдущие исследования на мышах ^5,6,18 , согласно которым мышьяк нарушает микробиом кишечника; однако степень возмущения между группами значительно различалась ( p <0,0001, критерий Краскела-Уоллиса), что позволяет предположить, что возмущение зависит от исходного микробиома (рис. 4b). Величину возмущения между 0 и 7 днями в каждой группе доноров можно считать мерой стабильности сообщества (то есть стабильности - небольшие изменения).В моделях выживаемости (Cox Proportional Hazards; CPH), которые учитывают различия внутри донорских групп, увеличение альфа-разнообразия (как по Шеннону, так и по обратному Симпсону) значительно коррелировало с более длительной выживаемостью (Shannon, , p = 0,0447; обратный Simpson, ). p = 0,0155). Аналогичным образом, стабильность значимо коррелировала с выживаемостью ( p = 0,0325, тест Вальда). Кроме того, эти ковариатные модели работали значительно лучше, чем сокращенная модель (т.е. только группа доноров, p <0.05, ANOVA), что указывает на важность таких оценок разнообразия в группах доноров. В целом, эти результаты предполагают, что способность микробиома кишечника поддерживать таксономическую целостность в условиях мышьякового стресса важна для выживания хозяина.

Различия в стабильности микробиома при воздействии мышьяка. a Неметрическая многомерная шкала различий Брея-Кертиса иллюстрирует изменения разнообразия микробиома как внутри, так и между группами, а также внутри и между периодами воздействия.Каждая точка представляет собой один гуманизированный микробиом мыши в соответствии с донором (цвет) и моментом времени (символ). Эллипсы представляют 95% достоверности. Микробиомы были более похожи в группах доноров, чем между ними ( p = 0,001, ANOSIM), и во всех группах доноров микробиомы на 7-й день значительно отличались от исходных (0-й день) микробиомов ( p ≤ 0,009, ANOSIM; дополнительная таблица 5 ). b Стабильность гуманизированных микробиомов мышей во время воздействия iAs ^V (среднее значение и 95% доверительный интервал) значительно различалась между группами, как показано (* p <0.01; ** p <0,005, *** p <0,0001, тест Крускала-Уоллиса)

Отдельные члены микробиома коррелируют с выживаемостью

Кишечные бактерии, которые метаболизируют мышьяк в менее токсичные мышьяки или обеспечивают другие детоксикационные свойства, потенциально могут быть полезно во время воздействия. Мы попытались идентифицировать эти бактерии с помощью моделирования выживания 100 наиболее распространенных операционных таксономических единиц (OTU), наблюдаемых среди всех гуманизированных мышей. Учитывая наличие / отсутствие OTU в дни 0 и 7, и принимая во внимание ложные открытия ( q <0.1) 48 уникальных OTU были идентифицированы как связанные с выживаемостью либо отрицательно, либо положительно (рис. 5). Из этих 48 таксонов 22 были достоверно связаны с выживаемостью как в дни 0, так и в 7 (общие), 21 были связаны только в день 0 (рис. 5a), а 5 были связаны только с днем ​​7 (рис. 5b). Все ассоциации OTU-выживания, общие в оба дня, согласовывались в отношении знака коэффициента (т.е. положительный или отрицательный), поддерживая последовательное направление их влияния. Дополнительный анализ был выполнен с использованием логарифмически преобразованных данных о численности OTU для дней 0 и 7 с аналогичными результатами (дополнительный рис.4). Этот анализ выявил 53 значимых ассоциации между численностью OTU и выживаемостью хозяина, 30 из которых были общими (т.е. значимо в оба дня). В общей сложности 38 (72%) OTU, связанных с выживаемостью с использованием данных об относительной численности, также были идентифицированы при анализе присутствия / отсутствия, включая 17 из 22 (77%) общих OTU. Эти результаты предполагают, что как присутствие / отсутствие, так и относительное количество конкретных членов микробиома влияют на выживаемость во время воздействия мышьяка.

Определенные OTU микробиома являются факторами риска для выживания. Наличие / отсутствие 100 наиболее распространенных OTU в наборе данных соответствовало одномерным моделям пропорциональных рисков Кокса (CPH). a , b Контроль уровня ложного обнаружения (<0,1), значимых бета-коэффициентов (со стандартной ошибкой) для членов микробиома в день 0 ( a , левая панель) и день 7 ( b , левая панель) показаны вместе с групповой распространенностью каждой OTU, отображаемой в виде тепловых карт ( a , b , правые панели).Группы доноров на тепловых картах (A – E) упорядочены по средней выживаемости во время воздействия мышьяка (наименьшая выживаемость слева, наибольшая выживаемость справа). Значимые OTU, обнаруженные в оба дня выборки (0 и 7), показаны черными полосами, а значимые OTU, которые были уникальны в один или другой день, показаны пустыми столбцами. Модели CPH коррелируют независимые переменные с функцией относительной опасности, поэтому отрицательный бета-коэффициент указывает на защитную связь, а положительные коэффициенты связаны с повышенной опасностью. OTU были отнесены к самому низкому таксономическому уровню с достоверностью 95%. Таксономические уровни над родами указаны в скобках (семейство F, порядок O, тип P)

Интерпретация вышеуказанных результатов несколько затруднена из-за коэволюционных отношений, которые приводят к совместному появлению членов микробиома внутри и между донорскими группами. Другими словами, такой анализ устанавливает только корреляционные отношения и остается недостаточным для выяснения причинно-следственной связи между конкретными таксонами и функцией in vivo.Чтобы определить причинно-следственную связь по крайней мере для одного члена микробиома и установить, достаточно ли чувствительна наша модель токсичности мышьяка, чтобы обнаружить влияние одной бактерии, были проведены эксперименты с гнотобиотиками с F. prausnitzii на мышах As3mt-KO. Обоснование выбора этого конкретного таксона заключается в следующем: Faecalibacterium — один из наиболее распространенных и часто идентифицируемых таксонов в микробиоме кишечника здоровых людей, из которых F. prausnitzii — единственный названный вид. F. prausnitzii способствует выработке бутирата и других короткоцепочечных жирных кислот в кишечнике ¹⁹ , а снижение F. prausnitzii было связано с широким спектром желудочно-кишечных заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника ²⁰ , колоректальный рак ^21,22 и Clostridium difficile инфекция ²³ . Анализ геномов F. prausnitzii (NCBI) выявил присутствие гена S-аденозилметилтрансферазы iAs ^III , arsM , по крайней мере в некоторых геномах, который кодирует хорошо известную метилтрансферазу, участвующую в детоксикации мышьяка микробов21 ^{24 .OTU Faecalibacterium был обнаружен в микробиоме 36 из 44 гуманизированных мышей; он присутствовал в оба дня (0 и 7) во всех донорских группах; и был обильным, от 0,01% до 5,3% нормализованных считываний. Моделирование выживаемости (как анализ присутствия / численности, так и анализ численности) выявило, что эта OTU значимо связана с выживаемостью как в дни 0, так и в дни 7 (рис. 5, дополнительный рис. 4). Наконец, F. prausnitzii уже продается как человеческий пробиотик, что обеспечивает четкую связь со здоровьем человека.Комбинация результатов предыдущих исследований, результатов, полученных на гуманизированных мышах, потенциал для производства мышьяк-активного фермента (ов) и текущая конкурентоспособность привели нас к гипотезе о том, что F. prausnitzii обеспечивает защиту от токсичности мышьяка.}

Для проверки вышеприведенной гипотезы были проведены эксперименты на мышах-гнотобиотах с использованием штамма F. prausnitzii , A2-165, который был первоначально выделен от здорового человека. Miquel et al. ранее было обнаружено, что A2-165 не колонизирует мышей GF в отдельности, но колонизирует на высоком уровне (~ 10 ⁸ КОЕ на грамм стула) при введении в комбинации с Escherichia coli ²⁵ .Это также наблюдалось в текущем исследовании; то есть A2-165 не мог быть обнаружен в стуле мышей GF через 48 ч после желудочного зондирования, тогда как он стал обильным в стуле моноколонизированных мышей E. coli . В серии экспериментов моноколонизация мышей GF штаммами E. coli K-12 (W3110) или B (BL21) не обеспечивала значительной защиты во время воздействия 25 ppm iAs ^V (дополнительный рисунок 5). Однако би-колонизация E. coli — F. prausnitzii значительно увеличила выживаемость по сравнению с обоими GF ( p = 0.0035) и E. coli моноассоциированных мышей ( p = 0,0024, фиг. 6). Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что F. prausnitzii достаточно для хотя бы частичной защиты от токсичности мышьяка, а также предполагают, что модель воздействия мышьяка GF As3mt-KO очень чувствительна для обнаружения этих эффектов. В настоящее время необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, связан ли этот эффект с производством активных ферментов мышьяка in vivo (то есть метаболизмом), производством метаболитов, не связанных с мышьяком (например,g., короткоцепочечные жирные кислоты) или какой-либо другой фактор (факторы) микробиома хозяина.