Analysis of the Microbiome of Human Lungs and Respiratory System in Lung Disorders: a Review

Микробиота легочной системы способна оказывать значимое влияние на стабильность структуры и функциональную активность легких. Инициация и прогрессирование некоторых заболеваний легких зависит от патогенных факторов, экспрессируемых легочной микробиотой, и состояния дисбиоза в целом. Метагеномные исследования, основанные на секвенировании генов 16S рРНК, позволили получить актуальные данные о составе легочной микробиоты. Гены 16S рРНК состоят из 9 вариабельных участков (V1- V9). Определение более консервативных в эволюционном плане участков последовательностей 16S рРНК гена позволяет относить исследуемые геномы бактерий к таксонам более высокого порядка, в то время как получение информации о менее консервативных участках позволяет определять принадлежность бактерий к роду или виду. В настоящее время также активно развивается метатранскриптомика, основанная на оценке числа копий транскриптов легочной микробиоты. Существование разнообразия и избыточности генов, а также вариабельность их активности в разных условиях предполагает использование таких высокопроизводительных технологий, как секвенирование РНК и методы параллельного секвенирования. Полученные данные по метатранскриптомному анализу в значительной степени дополняют результаты метагеномных исследований, в то же время предполагается, что метатранскриптомный подход более информативен, что касается исследований функциональных взаимодействий между микробиотой и организмом-хозяином. Эти подходы предполагают оценку биологической активности различных компонентов микробиома в норме и патологии. В обзоре рассмотрены методические особенности применения метагеномного анализа, а также метатранскриптомных исследований при некоторых тяжелых заболеваниях легочной системы (рак легкого, хроническая обструктивная болезнь легких, астма и муковисцидоз)The structural stability of the respiratory system and the functional activity of the lungs are influenced by the local microflora. The initiation and the progression of some lung diseases are determined by pathogenic factors produced by the lung microbiota and the dysbiotic conditions in general. Metagenomic studies based on sequencing of the genes for 16S ribosomal RNA have been used to collect direct data on the composition of the lung microbiota. 16S rRNA genes consist of 9 variable regions (V1-V9). By determining highly conservative 16S rRNA regions, bacterial genomes can be assigned to higher-level taxa, while based on information about less conservative regions of these genes, the genera or species of bacteria can be identified. Metatranscriptomics, which is based on estimating the number of copies of transcripts from the pulmonary microbiota, is also rapidly developing. The diversity and redundancy of genes and their variable activity in different conditions are prerequisites for using high-performance technologies such as RNA‑seq and parallel sequencing methods. The metatranscriptomic analysis data significantly complement metagenomics; at the same time, metatranscriptomics is assumed to be more informative in examination of functional interactions between microbiome and host organism. These approaches offer an estimation of the biological activity of different components in the microbiome under normal and pathological conditions. This review summarizes the results of recent metagenomic and metatranscriptomic studies regarding a number of serious diseases of the respiratory system (lung cancer, chronic obstructive lung disease, asthma, and cystic fibrosis