Projekat ljudskog mikrobioma

**Projekat ljudskog mikrobioma** (**HMP**) bila je istraživačka inicijativa Nacionalnih instituta za zdravlje (NIH) Sjedinjenih Američkih Država, s ciljem poboljšanja razumijevanja mikrobiote uključene u ljudsko zdravlje i bolesti. Pokrenuta je 2007, Prva faza (HMP1) fokusirala se na identifikaciju i karakterizaciju ljudskw mikrobiote. Druga faza, poznata kao Integrativni projekat ljudskog mikrobioma (iHMP), pokrenuta je 2014. godine s ciljem generiranja resursa za karakterizaciju mikrobiota i razjašnjavanje uloga mikroba u zdravstvenim stanjima i bolestima. Program je primio 170 miliona dolara finansiranja od strane Zajedničkog fonda Nacionalnih instituta za zdravlje od 2007. do 2020.

Važne komponente HMP-a bile su metode karakterizacije mikrobne zajednice nezavisne od kulture, kao što je metagenomika (koja pruža široku genetičku perspektivu o jednoj mikrobnoj zajednici), kao i opsežno sekvenciranje cijelog genoma (koje pruža "duboku" genetičku perspektivu o određenim aspektima date mikrobne zajednice, *tj.* pojedinačnih bakterijskih vrsta). Potonje je služilo kao referenca genomske sekvence —  za sada planira se 3.000 takvih sekvenci pojedinačnih bakterijskih izolata — u svrhu poređenja tokom naknadne metagenomske analize. Projekat je također finansirao duboko sekvenciranje bakterijskih 16S rRNK gena sekvenci amplifikovanih lančanom polimeraznom reakcijom kod ljudi.

## Uvod
thumb|Prikaz prevalencije različitih klasa bakterija na odabranim mjestima na ljudskoj koži
Prije lansiranja HMP-a, u popularnim medijima i naučnoj literaturi često se izvještavalo da u ljudskom tijelu postoji oko 10 puta više mikrobnih ćelija i 100 puta više mikrobnih gena nego što ima ljudskih ćelija; ova brojka je zasnovana na procjenama da ljudski mikrobiom uključuje oko 100 triliona bakterijskih ćelija, a odrasla osoba obično ima oko 10 triliona ljudskih ćelija.  U 2014.  Američka akademija za mikrobiologiju  (*American Academy of Microbiology*) objavila je često postavljana pitanja (FAQ) u kojima je naglasila da su i broj mikrobnih ćelija i broj ljudskih ćelija procjene, te napomenula da su nedavna istraživanja došla do nove procjene broja ljudskih ćelija na oko 37 triliona ćelija, što znači da je odnos mikrobnih i ljudskih ćelija vjerovatno oko 3:1.  U  2016. druga grupa objavila je novu procjenu omjera kao otprilike 1:1 (1,3:1, sa "nesigurnošću od 25% i varijacijom od 53% u populaciji standardnih muškaraca od 70 kg").
Uprkos zapanjujućem broju mikroba u i na ljudskom tijelu, malo se znalo o njihovoj ulozi u ljudskom zdravlju i bolestima. Mnogi organizmi koji čine mikrobiom nisu uspješno kultivirani, identifikovani ili na drugi način okarakterisani. Međutim, organizmi za koje se smatra da se nalaze u ljudskom mikrobiomu mogu se općenito kategorizirati kao bakterije, članovi domena Archaea, kvasci i protozoe, kao i razni helminti i paraziti, pri čemu potonji uključuju viruse koji inficiraju organizme ćelijskog mikrobioma (npr. bakteriofage). HMP je imao za cilj otkriti i okarakterizirati ljudski mikrobiom, s naglaskom na oralna, kožna, vaginska, gastrointestinalna i respiratorna mjesta.

HMP će se pozabaviti nekim od najinspirativnijih, najproblematičnijih i fundamentalnih naučnih pitanja današnjice. Važno je napomenuti da također ima potencijal da sruši vještačke barijere između medicinske mikrobiologije i mikrobiologije okoliša. Nadamo se da će HMP ne samo identificirati nove načine za određivanje zdravlja i predispozicije za bolesti, već i definirati parametre potrebne za dizajniranje, implementaciju i praćenje strategija za namjernu manipulaciju ljudskim mikrobiotom, kako bi se optimizirale njegove performanse u kontekstu fiziologije osoba.

HMP je opisan kao "logično koncepcijsko i eksperimentalno proširenje Projekta ljudskog genoma." kao jedan od „Novih puteva ka otkriću“. Organizirana karakterizacija ljudskog mikrobioma također se provodi na međunarodnom nivou pod pokroviteljstvom Međunarodnog konzorcija za ljudski mikrobiom.   Kanadski institut za istraživanje zdravlja (*Canadian Institutes of Health Research*), putem CIHR Instituta za infekcije i imunost, vodi Kanadsku inicijativu za mikrobiom s ciljem razvoja koordiniranog i fokusiranog istraživačkog napora za analizu i karakterizaciju mikroba koji koloniziraju ljudsko tijelo i njihovih potencijalnih promjena tokom hroničnih bolesti.

## Ukjučene  institucije  
HMP je uključivao učešće mnogih istraživačkih institucija, uključujući *Stanford University*, *Broad Institute*, *Virginia Commonwealth University*, *Washington University u St. Louisu*, *Northeastern University*, MIT, *Baylor College of Medicine* i mnoge druge. Doprinosi su uključivali evaluaciju podataka, konstrukciju referentnih sekvencijskih skupova podataka, etičke i pravne studije, razvoj tehnologije i još mnogo toga.

## Prva faza (2007-2014)
HMP1 je uključivao istraživačke napore mnogih institucija. HMP1 je postavio sljedeće ciljeve:
* Razviti referentni set sekvenci mikrobnog genoma i izvršiti preliminarnu karakterizaciju ljudskog mikrobioma
* Istražiti odnos između bolesti i promjena u ljudskom mikrobiomu
* Razviti nove tehnologije i alate za računarsku analizu
* Uspostaviti repozitorij resursa
* Proučiti etičke, pravne i društvene implikacije istraživanja ljudskog mikrobioma

## Druga faza (2014-2016) 
U 2014, NIH je pokrenuo drugu fazu projekta, poznatu kao Integrativni projekat ljudskog mikrobioma (iHMP). Cilj iHMP-a bio je da se proizvedu resursi za stvaranje potpune karakterizacije ljudskog mikrobioma, s fokusom na razumijevanje prisustva mikrobiote u zdravstvenim i bolesnim stanjima. Misija projekta, kako je naveo NIH, bila je sljedeća: 

iHMP će kreirati integrirane longitudinalne skupove podataka o biološkim svojstvima i mikrobioma i domaćina iz tri različite kohortne studije stanja povezanih s mikrobiomom koristeći višestruke "omičke" tehnologije.
### Trudnoća i prijevremeni porođaj 
Tim Konzorcija za vaginski mikrobiom na Univerzitetu Virginia Commonwealth vodio je istraživanje na projektu Trudnoća i prijevremeni porođaj s ciljem razumijevanja kako se mikrobiom mijenja tokom gestacijskog perioda i utiče na neonatusni mikrobiom. Projekat se također bavio ulogom mikrobioma u pojavi prijevremenih porođaja, koji, prema CDC, čine gotovo 10% svih porođaja. i predstavlja drugi vodeći uzrok smrti novorođenčadi. Projekat je dobio 7,44 miliona dolara finansiranja od NIH-a.

### Pojava upalne bolesti crijeva (IBD) 
Tim za multi'omske podatke o upalnim bolestima crijeva (IBDMDB) bio je multiinstitucijska grupa istraživača usmjerena na razumijevanje kako se crijevni mikrobiom longitudinalno mijenja kod odraslih i djece koji pate od IBD. IBD je upalna autoimunski poremećaj koji se manifestira kao Crohnova bolest ili ulcerozni kolitis i pogađa oko milion Amerikanaca.. Učesnici istraživanja uključivali su kohorte iz Opće bolnice Massachusetts, Univerzitetske bolnice Emory/Dječju bolnicu Cincinnati i Medicinski centar Cedars-Sinai. i djelimično je karakterizirani izraženim promjenama u mikrobiomu u poređenju sa zdravim osobama. Cilj projekta je bio identificirati molekule i signalne puteve koji imaju ulogu u etiologiji bolesti.

## Postignuća
Dosadašnji uticaj HMP-a može se djelimično procijeniti pregledom istraživanja koje je sponzorirao HMP. Preko 650 recenziranih publikacija navedeno je na web stranici HMP-a od juna 2009. do kraja 2017. godine, a citirane su preko 70.000 puta. At this point the website was archived and is no longer updated, although datasets do continue to be available.

Glavne kategorije radova koje je finansirao HMP uključuju:
* Razvoj novih sistema baza podataka koji omogućavaju efikasnu organizaciju, pohranu, pristup, pretraživanje i označavanje ogromnih količina podataka. To uključuje IMG, bazu podataka Integrirani mikrobni genomi i sistem komparativne analize; IMG/M, srodni sistem koji integriše skupove podataka metagenoma sa izolovanim mikrobnim genomima iz IMG sistema; CharProtDB, baza podataka eksperimentalno okarakteriziranih proteinskih anotacija; i Genomsks online baza podataka (GOLD), za praćenje statusa genomskih i metagenomskih projekata širom svijeta i njihovih povezanih metapodataka.
* Razvoj alata za komparativnu analizu koji olakšavaju prepoznavanje zajedničkih obrazaca, glavnih tema i trendova u složenim skupovima podataka. To uključuje RAPSearch2, brz i memorijski efikasan alat za pretraživanje sličnosti proteina za podatke sekvenciranja sljedeće generacije; Boulder ALignment Editor (ALE), web-bazirani alat za poravnanje RNK; WebMGA, prilagodljivi web server za brzu analizu metagenomskih sekvenci; i DNACLUST, alat za precizno i efikasno grupisanje filogenetskih marker gena. pa programi za montažu sljedeće generacije, kao što je AMOS  modularni su, nudeći širok raspon alata za sastavljanje. Razvijeni su novi algoritmi za poboljšanje kvaliteta i korisnosti nacrta genomskih sekvenci.
* Sastavljanje kataloga sekvenciranih referentnih genoma čistih bakterijskih sojeva s više mjesta u tijelu, s kojima se mogu upoređivati metagenomski rezultati. Prvobitni cilj od 600 genoma je daleko premašen; sadašnji cilj je da se u ovom referentnom katalogu nalazi 3.000 genoma, sekvenciranih barem do faze visokokvalitetnog nacrta. Od marta 2012., katalogizirana su 742 genoma.
* Osnivanje Centra za analizu podataka i koordinaciju (DACC)), koji služi kao centralno spremište za sve HMP podatke.
* Razne studije koje istražuju pravna i etička pitanja povezana s istraživanjem sekvenciranja cijelog genoma.

Razvoji koje je finansirao HMP uključuju:
* Nove prediktivne metode za identifikaciju mjesta vezivanja aktivnih transkripcijskih faktora.
* Identifikacija, na osnovu bioinformatičkih dokaza, široko rasprostranjenog, ribosomno proizvedenog prekursora nosača elektrona 
* Ubrzane "pokretne slike" ljudskog mikrobioma.
* Identifikacija jedinstvenih adaptacija koje su usvojile segmentirane filamentne bakterije (SFB) u svojoj ulozi crijevnih komensala. SFB su medicinski važne jer stimulišu pomoćničke 17 ćelije, za koje se smatra da igraju ključnu ulogu u autoimunskim bolestima.
* Identifikacija faktora koji razlikuju mikrobiotu zdravih i oboljelih crijeva.
* Identifikacija do sada neprepoznate dominantne uloge verukomikrobiota u bakterijskim zajednicama tla.
* Identifikacija faktora koji određuju potencijal virulencije sojeva *Gardnerella vaginalis* kod vaginoze.
* Identifikacija veze između oralne mikrobiote i ateroskleroze.
* Dokaz da patogene vrste *Neisseria* uključene u meningitis, sepsu i spolno prenosive bolesti razmjenjuju faktore virulencije sa komensalnim vrstama.

## Prekretnice
### Uspostavljena referentna baza podataka
Dana 13. juna 2012. godine, direktor NIH-a Francis Collins objavio je važnu prekretnicu za HMP. Objava je popraćena nizom koordiniranih članaka objavljenih u prestižnom časopisu  Nature i nekoliko časopisa, uključujući Javnu naučnu biblioteku (PLoS), istog dana. Mapiranjem normalnog mikrobnog sastava zdravih ljudi, korištenjem tehnika sekvenciranja genoma, istraživači HMP-a su kreirali referentnu bazu podataka i granice normalnih mikrobnih varijacija kod ljudi.

Od 242 zdrava američka volontera, prikupljeno je više od 5.000 uzoraka tkiva sa 15 (muškarci) do 18 (žene) dijelova tijela, kao što su usta, nos, koža, donji dio crijeva (stolica) i vagina. Sva DNK, ljudska i mikrobna, analizirana je pomoću mašina za sekvenciranje DNK. Podaci o mikrobnom genomu ekstrahovani su identifikacijom bakterijske specifične ribosomske RNK, 16S rRNA. Istraživači su izračunali da više od 10.000 mikrobnih vrsta nastanjuje ljudski ekosistem i identificirali su 81 – 99% rodova. Pored uspostavljanja referentne baze podataka ljudskog mikrobioma, HMP projekat je otkrio i nekoliko "iznenađenja", koja uključuju:
* Mikrobi doprinose s više gena odgovornih za ljudski opstanak nego vlastiti ljudski geni. Procjenjuje se da su geni koji kodiraju bakterijske proteine 360 puta brojniji od ljudskih gena.
* Mikrobne metaboličke aktivnosti; naprimjer, probava masti; nisu uvijek osigurane istim bakterijskim vrstama. Prisustvo tih aktivnosti čini se važnijim.
* Komponente ljudskog mikrobioma se mijenjaju tokom vremena, pod utjecajem bolesti pacijenta i lijekova. Međutim, mikrobiom se na kraju vraća u stanje ravnoteže, iako se sastav bakterijskih tipova promijenio.

### Klinička primjena
Među prvim kliničkim primjenama koje koriste HMP podatke, kako je navedeno u nekoliko PLoS radova, istraživači su otkrili pomak ka manjoj raznolikosti vrsta u vaginskom mikrobiomu trudnica u pripremi za porođaj i visoko virusno DNK opterećenje u nosnom mikrobiomu djece s neobjašnjivom groznicom. Druge studije koje koriste podatke i tehnike HMP-a uključuju ulogu mikrobioma u raznim bolestima probavnog trakta, kože, reproduktivnih organa i poremećajima u djetinjstvu.

## Također pogledajte 
* Mikrobiologija okoliša
* Projekat genoma
* Genomika
* Ljudski mikrobiom
** Crijevni mikrobiom
** Oralna mikrobiologija
** Kožni mikrobiom
** Vaginski mikrobiom
* Ljudski virom
* Medicinski mikrobiološki sistem
* Metagenomika
* Mikrobna ekologija
* Mikrobiom
* Multigenomski organizam
* Superorganizam
## Reference 
## Vanjski linkovi 
* Human Microbiome Project
* Data Analysis and Coordination Center for the Human Microbiome Project (HMP)
* The CIHR Canadian Microbiome Initiative
* The International Human Microbiome Consortium
* 2006, Lay summary of colon microbiome study (the actual study: Gill et al., 2006)
* Olivia Judson Microbes 'R' Us  *New York Times* 22 July 2009
* Gina Kolata Good Health? Thank Your 100 Trillion Bacteria *New York Times* 13 June 2012

Kategorija:Mikrobiomi
Kategorija:Bakteriologija
Kategorija:Projekti ljudskog genoma
Kategorija:Mikrobiologija okoliša
Kategorija:Bakterije i ljudi
Kategorija:Mikrobiologija
Kategorija:Bioinformatika
Kategorija:Računarska biologija
Kategorija:Projekti genoma