The Human Microbiome Project, The Future of Microbiota and Personalized Medicine in Practice

Abstract

Human microbiology represents a highly complex ecosystem that is closely linked to our development, physiology and health. Microbiomas begin to occur at birth, co-develop with the host, and are greatly infl uenced by diet and other environmental factors. Our increased capacity to generate multiple channels of omic data from this system, brought about by recent advances in high throughput molecular technologies, calls for the development of systems-level methods and models that take into account not only the composition of genes and species in a microbiome but also the interactions between these components. It is known that a person lives with at least 10 times more bacteria than the number of his own cells on his body, and the majority of these bacteria are found in the human gastrointestinal tract. Throughout the history of microbiology, most human studies have concentrated on human disease-causing organisms, and fewer studies have examined the benefi ts of fl ora bacteria. The objectives of the Human Microbial Project (HMP) fi nanced for biomedical research are:  exploiting new and highly effi cient technologies to fully characterize human microbiology by examining samples from different body parts from at least 250 “normal” volunteers;  examining several different medical conditions to determine whether there is a relationship between microbiomic changes and health/disease; and provide standard data sources and new technological approaches to enable these studies in detail in the scientifi c mosque. The ultimate goal of HMP is to demonstrate opportunities to improve human health through the monitoring or manipulation of human microbiology. Studies suggest that these microorganism communities are more effective than expected on human health.

Keywords

• Microbiome project
• microbiota
• personal medicine

İnsan Mikrobiyom Projesi, Mikrobiyotanın Geleceği ve Kişiye Özel Tıp Uygulamaları

Abstract

İnsan mikrobiyomu, gelişim, fizyoloji ve sağlığımızla sıkı sıkıya bağlantılı olan son derece karmaşık bir ekosistemi temsil eder. Mikrobiyom doğumda oluşmaya başlar, konakçısı ile birlikte gelişir ve diyet ve diğer çevresel faktörlerden büyük ölçüde etkilenir. Yüksek verimli moleküler teknolojilerdeki son gelişmelerin getirdiğiomik verinin çok kanallı üretilmesi konusundaki artan kapasite, sadece mikrobiyomdaki gen ve türlerin kompozisyonunu değil aynı zamanda bu bileşenler arasındaki etkileşimleri de içerir. İnsanın, vücudundaki kendi hücrelerinin sayısından en az 10 kat daha fazla bakteri ile yaşadığı ve bu bakterilerin çoğunluğunun insan gastrointestinal sisteminde bulunduğu bilinmektedir. Mikrobiyoloji tarihi boyunca insan çalışmalarının çoğu, insanlarda bulunan hastalık nedeni organizmalar üzerinde yoğunlaşmış, flora bakterilerinin faydalarını inceleyen daha az sayıda çalışma yapılmıştır. Biyomedikal araştırmalar için finanse edilen İnsan Mikrobik Projesinin (İMP), hedefleri şunlardır: en az 250 "normal" gönüllüden alınan farklı vücut bölümlerindeki örnekleri inceleyerek, insan mikrobiyomunu tam olarak karakterize etmek için yeni ve yüksek verimli teknolojilerden yararlanmak; birkaç farklı tıbbi durumu inceleyerek mikrobiyom değişiklikleri ve sağlık / hastalık arasında bir ilişki olup olmadığını belirlemek; ve3faydalarını inceleyen daha az sayıda çalışma yapılmıştır. Biyomedikal araştırmalar için finanse edilen İnsan Mikrobik Projesinin (İMP), hedefleri şunlardır:1 en az 250 "normal" gönüllüden alınan farklı vücut bölümlerindeki örnekleri inceleyerek, insan mikrobiyomunu tam olarak karakterize etmek için yeni ve yüksek verimli teknolojilerden yararlanmak;2 birkaç farklı tıbbi durumu inceleyerek mikrobiyom değişiklikleri ve sağlık / hastalık arasında bir ilişki olup olmadığını belirlemek; ve bu çalışmaları ayrıntılı olarak bilimsel camiada etkinleştirmek amacıyla standart veri kaynağı ve yeni teknolojik yaklaşımlar sağlamak. İMP'nin nihai hedefi , insan mikrobiyomunun izlenmesi veya manipülasyonu yoluyla insan sağlığını iyileştirme fırsatlarının olduğunu göstermektir. Yapılan çalışmalar bu mikroorganizma topluluklarının insan sağlığı üzerinde beklenenden daha çok etkili olduğuna işaret etmektedir

Keywords

• Mikrobiyom projesi
• mikrobiyota
• kişisel tıp

References

1. 1. Bozok T, Şimşek T, Kömür S, Ulu A. Normal mikrobiyal fl oranın insan sağlığı üzerine etkisi ve insan mikrobiyom projesi. Arşiv Kaynak Tarama Dergisi. 2014; 23(3): 420-426.
2. 2. Evrensel A, Ceylan ME. Bağırsak beyin ekseni: Psikiyatrik bozukluklarda bağırsak mikrobiyotasının rolü. Psikiyatride güncel yaklaşımlar. 2015; 7(4): 461-472.
3. 3. Gündoğdu A. Bir “süper organizma” olarak insan; mikrobiyomun genetik kontrolü. Türk Mikrobiyol Cem Derg. 2016; 46(4): 147- 151.
4. 4. Altuntaş Y, Batman A. Mikrobiyota ve metabolik sendrom. Türk Kardyol Dern Ars. 2017; 45(3): 286-296.
5. 5. The NIH Human Microbiome Project. The NIH HMP Working Group, Peterson J, Garges S, et al. Genome Res. 2009; 19: 2317- 2323.
6. 6. Relman DA, Falkow S. The meaning and impact of the human genome sequence for microbiology. Trends Microbiol. 2001; 9: 206–208.
7. 7. Relman DA. New technologies, human–microbe interactions, and the search for previously unrecognized pathogens. J Infect Dis. 2002; 186: 254–258.
8. 8. Lederberg J, McCray AT. 2001. ’Ome Sweet ’Omics—a genealogical treasury of words. Scientist 15: 8.

9. 9. Yılmaz K, Altındiş M. Sindirim sistemi mikrobiyotası ve fekal transplantasyon. Nobel Medicus. 2017; 13(1): 9-15.
10. 10. Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN, Purdom E, Dethlefsen L, Sargent M, Gill SR, Nelson KE, Relman DA. 2005. Diversity of the human intestinal microbial fl ora. Science 308: 1635–1638.
11. 11. Ley RE, Turnbaugh PJ, Klein S, Gordon JI. 2006. Microbial ecology: Human gut microbes associated with obesity. Nature 444: 1022– 1023.
12. 12. Palmer C, Bik EM, Digiulio DB, Relman DA, Brown PO. 2007. Development of the human infant intestinal microbiota. PLoS Biol 5: e177. doi: 10.1371/journal.pbio.0050177.
13. 13. Faveri M, Mayer MP, Feres M, de Figueiredo LC, Dewhirst FE, Paster BJ. 2008. Microbiological diversity of generalized aggressive periodontitis by 16S rRNA clonal analysis. Oral Microbiol Immunol 23: 112–118.
14. 14. Hyman RW, Fukushima M, Diamond L, Kumm J, Giudice LC, Davis RW. 2005. Microbes on the human vaginal epithelium. Proc Natl Acad Sci 102: 7952–7957.
15. 15. Gao Z, Tseng CH, Pei Z, Blaser MJ. 2007. Molecular analysis of human forearm superfi cial skin bacterial biota. Proc Natl Acad Sci 104: 2927– 2932. 16. Waldor MK, Tyson G, Borenstein E, et al. Where next for microbiome research? PLOS Biology. 2015; DOI: 10.1371/ journal.pbio.1002050
16. 17. Davies J. In a map for human life, count the microbes, too. Science. 2001; 291: 2316.
17. 18. Reandon S. Gut-brain link grabs neuroscientists. Nature. 2014; 515: 175-177.
18. 19. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Traces/home/
19. 20. http://www. ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?Db=gap
20. 21. Albertsen M, Hugenholtz P, Skarshewski A, Nielsen KL, Tyson GW, et al. (2013) Genome sequences of rare, uncultured bacteria obtained by differential coverage binning of multiple metagenomes. Nat Biotechnol 31: 533–538. doi: 10.1038/nbt.2579 PMID: 23707974
21. 22. Imelfort M, Parks D, Woodcroft BJ, Dennis P, Hugenholtz P, et al. (2014) GroopM: An automated tool for the recovery of population genomes from related metagenomes. PeerJ PrePrints 2:e409v1. doi: 10. 7717/peerj.603 PMID: 25289188
22. 23. Rinke C, Schwientek P, Sczyrba A, Ivanova NN, Anderson IJ, et al. (2013) Insights into the phylogeny and coding potential of microbial dark matter. Nature 499: 431–437. doi: 10.1038/ nature12352 PMID: 23851394
23. 24.
24. 25. Haiser HJ, Gootenberg DB, Chatman K et al: Predicting and manipulating cardiac drug inactivation by the human gut bacterium Eggerthella lenta. Science, 2013; 341: 295–98
25. 26. Clayton TA, Baker D, Lindon JC et al: Pharmacometabonomic identifi cation of a signifi cant host-microbiome metabolic interaction affecting human drug metabolism. Proc Natl Acad Sci USA, 2009; 106: 14728–33.
26. 27. Takasuna K, Hagiwara T, Hirohashi M et al: Involvement of betaglucuron- idase in intestinal microfl ora in the intestinal toxicity of the antitumor camptothecin derivative irinotecan hydrochloride (CPT-11) in rats. Cancer Res, 1996; 56: 3752–57
27. 28. Saad R, Rizkallah MR, Aziz RK: Gut Pharmacomicrobiomics: the tip of an ice- berg of complex interactions between drugs and gutassociated microbes. Gut Pathog, 2012; 4: 16
28. 29. Li H, Jia W: Cometabolism of microbes and host: implications for drug me- tabolism and drug-induced toxicity. Clin Pharmacol Ther, 2013; 94: 574–81.
29. 30. Haiser HJ, Turnbaugh PJ: Is it time for a metagenomic basis of therapeutics? Science, 2012; 336: 1253–55
30. 31. Walker MC, Thuronyi BW, Charkoudian LK, Lowry B, Khosla C, Chang MC (2013) Expanding the fl uorine chemistry of living systems using engineered polyketide synthase pathways. Science 341: 1089–1094. doi: 10.1126/science.1242345 PMID: 24009388
31. 32. Citorik RJ, Mimee M, Lu TK (2014) Bacteriophage-based synthetic biology for the study of infectious diseases. Curr Opin Microbiol 19: 59–69. doi: 10.1016/j.mib.2014.05.022 PMID: 24997401