휴먼 마이크로바이옴 프로젝트

Human Microbiome Project
휴먼 마이크로바이옴 프로젝트(HMP)
Human Microbiome Project logo.jpg
소유자미국 국립보건원
확립된2007 (2007)
설정되지 않음2016 (2016)
웹사이트hmpdacc.org

휴먼 마이크로바이옴 프로젝트(HMP)는 인간의 건강과 질병에 관련된 마이크로바이오타에 대한 이해를 개선하기 위한 미국 국립보건원(NIH) 연구 구상이었다. 2007년 출범한 1단계(HMP1)는 인간 마이크로바이오의 식별과 특성화에 초점을 맞췄다.[1] '통합 인간 마이크로바이옴 프로젝트(iHMP)'로 알려진 2단계는 마이크로바이옴을 특성화하고 건강 및 질병 상태에서 미생물의 역할을 규명하기 위한 자원을 창출하기 위한 목적으로 2014년 시작됐다. 이 프로그램은 2007년부터 2016년까지 NIH 공통 기금으로부터 1억 7천만 달러의 기금을 받았다.[2]

HMP의 중요한 구성 요소는 메타게노믹스(단일 미생물 집단에 대한 광범위한 유전적 관점을 제공하는)와 같은 미생물 공동체 특성화의 문화 독립적인 방법 및 광범위한 전체 게놈 시퀀싱(예: 주어진 미생물 집단의 특정 측면에 대한 "깊은" 유전적 관점을 제공하는)이었다. 개별 박테리아 종(種)의. 후자는 후속 메타게놈 분석 시 비교 목적을 위해 3000개의 개별 박테리아 분리가 현재 계획되어 있는 참조 게놈 시퀀스 역할을 했다. 이 프로젝트는 또한 인간 피실험자의 중합효소 연쇄 반응에 의해 증폭된 박테리아 16S rRNA 시퀀스의 심층 시퀀싱에 자금을 투입했다.[3]

소개

인체 피부에서 선별된 부위의 다양한 종류의 박테리아 발생현황에 대한 묘사

HMP 발사 전에는 인체에 미생물 세포가 약 10배, 미생물 유전자가 약 100배 있다는 사실이 대중매체나 과학 문헌에 자주 보도되었는데, 이는 인간의 미생물에는 약 100조 개의 박테리아 세포와 성인 인간이 포함된다는 추정에 근거한 것이다. 전형적으로 약 10조 개의 인간 세포를 가지고 있다.[4] 2014년 미국미생물학아카데미는 FAQ를 발표해 미생물 세포의 수와 인간 세포의 수가 모두 추정치임을 강조했고, 최근 연구가 약 37조개의 세포로 인간 세포의 수를 새로운 추정치에 도달했다는 점에 주목했는데, 이는 인간 세포에 대한 미생물의 비율이 아마도 낮다는 것을 의미한다.t 3:1.[4][5] 2016년에 또 다른 그룹은 대략 1:1(1.3:1, "표준 70kg 남성 모집단에 대한 불확실성 25% 및 53% 변동")[6][7]의 비율에 대한 새로운 추정치를 발표했다.

인체에 엄청난 수의 미생물이 존재함에도 불구하고, 인간의 건강과 질병에 대한 그들의 역할에 대해 알려진 것은 거의 없었다. 마이크로바이옴을 구성하는 많은 유기체들이 성공적으로 배양되거나, 식별되거나, 또는 그 밖의 다른 특징을 가지고 있지 않다. 그러나 인간의 마이크로바이옴에서 발견되는 것으로 생각되는 유기체는 일반적으로 박테리아, 영역인 아르케아, 효모, 단세포 진핵생물뿐만 아니라 다양한 헬마민트 기생충과 바이러스로 분류될 수 있으며, 후자는 세포 마이크로바이옴 유기체(예: 박테리오파지)를 감염시키는 바이러스를 포함한다. HMP는 구강, 피부, 질, 위장, 호흡기 부위를 강조하면서 인간의 마이크로바이옴을 발견하고 특성화에 나섰다.

HMP는 오늘날 가장 고무적이고 짜증나고 근본적인 과학적 질문들을 다룰 것이다. 중요한 것은, 그것은 또한 의학 미생물학과 환경 미생물학 사이의 인위적인 장벽을 무너뜨릴 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것이다. HMP가 건강 및 질병의 성향을 결정하는 새로운 방법을 식별하는 것은 물론, 개인의 생리학적 맥락에서 성과를 최적화하기 위해 인간 마이크로바이오타를 의도적으로 조작하는 전략을 설계, 구현, 모니터링하는 데 필요한 매개변수를 정의하기를 바란다.[8]

HMP는 "인간 게놈 프로젝트의 논리적 개념적이고 실험적인 확장"[8]으로 설명되어 왔다. 2007년에 HMP는 새로운 발견 경로의 하나로[9] NIH 의학 연구 로드맵에 등재되었다. 인간 마이크로바이옴의 조직화된 특성화도 국제 인간 마이크로바이옴 컨소시엄의 후원으로 국제적으로 이루어지고 있다.[10] 캐나다 보건 연구소는 CIHR 감염 및 면역 연구소를 통해 캐나다 마이크로바이옴 이니셔티브를 주도하여 인체를 식민지화하는 미생물과 만성 질환 상태 중 이들의 잠재적 변화를 분석하고 특성화하기 위한 조정되고 집중적인 연구 활동을 전개하고 있다.[11]

기부기관

HMP는 스탠포드 대학교, 브로드 연구소, 버지니아 커먼웰스 대학교, 워싱턴 대학교, 노스이스트 대학교, MIT, 베일러 의과 대학, 그리고 다른 많은 연구 기관들의 참여를 포함했다. 기여도에는 데이터 평가, 참조 시퀀스 데이터 세트 구축, 윤리 및 법률 연구, 기술 개발 등이 포함되었다.

1단계(2007-2014)

HMP1은 많은 기관의 연구 노력을 포함했다.[12] HMP1은 다음과 같은 목표를 설정하였다.[13]

  • 미생물 게놈 염기서열 참조세트를 개발하고 인간 미생물 예비특성화
  • 질병과 인간 마이크로바이옴의 변화 사이의 관계를 탐구한다.
  • 컴퓨터 분석을 위한 새로운 기술 및 도구 개발
  • 리소스 리포지토리
  • 인간 마이크로바이옴 연구의 윤리적, 법적, 사회적 함의 연구

2단계(2014~2016년)

2014년에 NIH는 통합 인간 마이크로바이옴 프로젝트(iHMP)로 알려진 2단계 프로젝트를 시작했다. iHMP의 목표는 건강과 질병 상태에 있는 마이크로바이오의 존재를 이해하는 데 중점을 두고 인간 마이크로바이옴의 완전한 특성화를 위한 자원을 생산하는 것이었다.[14] NIH가 밝힌 프로젝트 임무는 다음과 같다.

iHMP는 다중 "오믹스" 기술을 사용하는 마이크로바이옴 관련 조건의 세 가지 다른 코호트 연구로부터 호스트와 마이크로바이옴으로부터 생물학적 특성의 통합 종방향 데이터셋을 생성한다.[14]

그 프로젝트는 여러 기관에서 수행된 세 개의 하위 프로젝트를 포함했다. 연구 방법에는 16S rRNA 유전자 프로파일링, 전체 메타게놈 산탄총 염기서열 분석, 전체 게놈 염기서열 분석, 메타트랜스크립토믹스, 대사/지질체학, 면역단백체학 등이 포함되었다. iHMP의 주요 연구 결과는 2019년에 발표되었다.[15]

임신 & 임신 전 출산

버지니아 대학 질 마이크로바이옴 컨소시엄 팀은 임신 기간 동안 마이크로바이옴이 어떻게 변화하고 신생아 마이크로바이옴에 영향을 미치는지 이해하는 것을 목표로 임신 & 임신 전 출산 프로젝트에 대한 연구를 주도했다. CDC에 따르면 전체 출산의[16] 거의 10%를 차지하며 신생아 사망의 두 번째 주요 원인이 되는 임신 전 출산의 발생에 있어서 마이크로바이옴의 역할도 이 프로젝트는 또한 우려되었다.[17] 이 프로젝트는 NIH 자금으로 744만 달러를 받았다.[18]

염증성 장질환 발생(IBD)

염증성 장질환 다중역학 데이터(IBDMDB)팀은 IBD를 앓고 있는 성인과 어린이들에게 장내 미세생물들이 종방향으로 어떻게 변화하는지 이해하는 데 초점을 맞춘 다기관 연구자 그룹이었다. IBD는 크론병이나 궤양성 대장염으로 나타나는 염증성 자가면역 장애로 약 100만 명의 미국인에게 영향을 미친다.[19] 연구 참여자 중에는 매사추세츠 종합병원, 에모리 대학병원/신시내티 아동병원, 시더스-시나이 메디컬 센터의 코호트들이 포함되어 있었다.[20]

제2형 당뇨병의 시작(T2D)

스탠포드 대학과 제노믹 의학의 잭슨 연구소의 연구원들이 함께 제2형 당뇨병에 걸릴 위험이 있는 환자의 미세 생물체에서 발생하는 생물학적 과정에 대한 종적 분석을 수행했다. T2D는 최소 7900만 명의 당뇨병 전 환자를 가진 거의 2,000만 명의 미국인에게 영향을 미치며,[21] 건강한 개인에 비해 마이크로바이옴의 현저한 변화가 부분적으로 특징적이다. 이 프로젝트는 그 질병의 유전학에서 역할을 하는 분자와 신호 경로를 식별하는 것을 목표로 했다.[22]

업적

HMP의 현재까지 영향은 HMP가 후원하는 연구 조사를 통해 일부 평가될 수 있으며, 2009년 6월부터 2017년 말까지 650건 이상의 동료 검토 간행물이 HMP 웹사이트에 등재되어 7만 번 이상 인용되었다.[23] 데이터셋은 계속 사용 가능하지만, 이 시점에서 웹사이트는 보관되었고 더 이상 업데이트되지 않는다.[24]

HMP가 후원하는 주요 작업 범주는 다음과 같다.

  • 대량의 데이터를 효율적으로 조직, 저장, 액세스, 검색 및 주석할 수 있는 새로운 데이터베이스 시스템 개발. 이러한 IMG통합 미생물 Genomes 데이터베이스와 비교 분석 제도 즉[25]IMG/M, IMG시스템에서 아이솔 레이트 미생물의 게놈으로 메타 게놈 자료들을 통합할 관련 제도 즉[26]CharProtDB, 실험적으로 묘사한 단백질 주석의 데이터베이스,[27]과 유전체 온라인화 데이터베이스(GOLD), 감시 등이 있다. 상태 게놈 및 메타게놈 프로젝트와 관련 메타데이터의 정보를 수집할 수 있다.[28]
  • 복잡한 데이터 세트의 공통 패턴, 주요 테마 및 추세를 쉽게 인식할 수 있는 비교 분석 도구 개발. 이 RAPSearch2, 차세대 염기 서열 분석 데이터에 대한 그리고memory-efficient 빠른 단백질 유사성 검색 도구;[29]볼더 ALignment 편집기(ALE), 웹 기반의 RNA정렬 도구;[30]WebMGA, 빨리metagenomic 순서 분석을 위해 사용자 웹 서버,[31일]과 DNACLUST고 효율적이고 정확한 계통 mar.의 클러스터링을 위한 도구 등을 포함하ker genes[32]
  • 대규모 시퀀스 데이터 세트를 조립하기 위한 새로운 방법과 시스템 개발. 단일 조립 알고리즘은 단거리 시퀀스 조립의 알려진 모든 문제를 다루지 않으므로,[33] AMOS와[34] 같은 차세대 조립 프로그램은 모듈화되어 조립을 위한 광범위한 도구를 제공한다. 새로운 알고리즘은 초안 게놈 배열의 질과 효용성을 향상시키기 위해 개발되었다.[35]
  • 여러 신체 부위에서 순수 박테리아 변종의 배열된 참조 게놈의 카탈로그를 조립하여 메타게놈 결과를 비교할 수 있다. 600개 게놈의 원래 목표는 훨씬 능가했다. 현재의 목표는 3000개 게놈을 적어도 고급 초안 단계에 이르는 이 참조 카탈로그에 넣는 것이다. 2012년 3월 현재 742개의 게놈들이 분류되었다.[36]
  • 모든 HMP 데이터의 중심 저장소 역할을 하는 DACC(Data Analysis and Coordination Center)[37]의 설립.
  • 전체 게놈 염기서열 연구와 관련된 법적, 윤리적 문제를 탐구하는 다양한 연구.[38][39][40][41]

HMP가 자금을 지원하는 개발에는 다음이 포함되었다.

  • 활성 전사 인자 바인딩 사이트를 식별하기 위한 새로운 예측 방법.[42]
  • 생물정보학적 증거에 기초하여 널리 분포된 리보솜으로 생성된 전자 반송파 전구[43] 식별
  • 인간 마이크로바이옴의 시간 경과 "움직이는 사진"[44]
  • 장 균으로서의 역할에서 분할된 필라멘트 박테리아(SFB)에 의해 채택된 고유한 적응의 식별.[45] SFB는 자가면역질환의 핵심 역할을 하는 것으로 생각되는 T조력자 17세포를 자극하기 때문에 의학적으로 중요하다.
  • 건강한 내장과 병든 내장의 미생물 분자를 구별하는 요인의 식별.[46]
  • 토양 박테리아 공동체에서 지금까지 인식되지 않은 베루코믹의 지배적 역할의 확인.[47]
  • 질에서 가드네렐라 질성 변종의 독성 전위를 결정하는 인자의 확인.[48]
  • 경구 마이크로바이오와 동맥경화증 사이의 연관성 확인.[49]
  • 뇌막염, 패혈증, 성병에 관련된 네이세리아의 병원성 종들이 균등종과 바이러스 계수를 교환한다는 것을 증명한다.[50]

이정표

참조 데이터베이스 설정됨

2012년 6월 13일, NIH의 프랜시스 콜린스 이사에 의해 HMP의 주요 이정표가 발표되었다.[51] 이날 발표에는 네이처지에[52][53] 게재된 조정기사와 공공과학도서관(PLOS) 등 여러 학술지가 함께했다.[54][55][56][57][58][59] 게놈 염기서열 분석 기법을 이용해 건강한 인간의 정상적인 미생물 구성을 지도화함으로써 HMP 연구진은 참조 데이터베이스와 인간 내 정상 미생물 변동의 경계를 만들었다.[60]

건강한 미국 자원봉사자 242명으로부터 입, 코, 피부, 소장(스툴), 질 등 신체 부위 15개(남성)에서 18개(여성)까지 5000개 이상의 표본을 조직에서 채취했다. 모든 DNA, 인간과 미생물은 DNA 염기서열 분석기로 분석되었다. 세균 특이 리보솜 RNA, 16S rRNA를 파악해 미생물 게놈 데이터를 추출했다. 연구진은 1만 종 이상의 미생물이 인간 생태계를 차지하고 있으며, 그 중 81~99%를 식별했다고 계산했다. HMP 프로젝트는 인간 마이크로바이옴 참조 데이터베이스를 구축하는 것 외에도 다음과 같은 몇 가지 "놀라운"을 발견했다.

  • 미생물은 인간 자신의 유전자보다 인간의 생존을 책임지는 유전자를 더 많이 기여한다. 세균성 단백질 코딩 유전자는 인간 유전자보다 360배 이상 풍부한 것으로 추정된다.
  • 미생물 대사 활동(예: 지방의 소화)은 항상 같은 박테리아 종에 의해 제공되지는 않는다. 그 활동의 존재는 더 중요한 것 같다.
  • 인간 마이크로바이옴의 구성요소는 시간이 지남에 따라 환자 질병 상태와 약물의 영향을 받는다. 그러나 세균형의 구성이 바뀌었음에도 불구하고 결국 마이크로바이옴은 평형 상태로 돌아온다.

임상적용

여러 PLoS 논문에서 보고된 바와 같이 HMP 데이터를 활용한 첫 번째 임상 애플리케이션 중에서, 연구자들은 출산에 대비하여 임산부의 질 마이크로바이옴에서 종 다양성이 감소하고, 열을 알 수 없는 어린이의 코 마이크로바이옴에서 높은 바이러스 DNA 부하로 변화한다는 것을 발견했다. HMP 데이터와 기술을 이용한 다른 연구들에는 소화관, 피부, 생식기, 소아 장애의 다양한 질병에서 마이크로바이옴의 역할이 포함된다.[51]

제약적용

제약 미생물학자들은 비살균 의약품에 '투여 가능한' 미생물의 존재/부재 및 제품이 제조되는 통제된 환경 내에서 미생물을 모니터링하는 것과 관련하여 HMP 데이터의 영향을 고려했다. 후자는 또한 매체 선택과 소독 효과 연구에 시사하는 바가 있다.[61]

참고 항목

참조

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외부 링크