Nature Communications | 深度挖掘人類腸道宏基因組的古菌病毒
北京時(shí)間12月30日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所馬迎飛團(tuán)隊(duì)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》(nature communications,IF=17.69)上發(fā)表了題為"Metagenomic analysis reveals unexplored diversity of archaeal virome in the human gut"的文章。該工作首次對(duì)來(lái)自人類腸道宏基因組的古菌病毒進(jìn)行了深入挖掘及全面分析,揭示了人類腸道中古菌病毒組的多樣性,為人類腸道古菌病毒組的研究提供了前所未有的一瞥。

文章上線截圖
人類微生物組的組成和功能與宿主的健康密切相關(guān)。除了細(xì)菌外,腸道微生物群中的非細(xì)菌成員(古菌、真菌和病毒)也在微生物群落的動(dòng)態(tài)演替以及人類的生理、免疫、疾病等方面發(fā)揮著重要作用。古菌是人體的共生微生物之一,它們?cè)谀c道,口腔和皮膚等部位被檢測(cè)到,與人類疾病密切相關(guān)。與細(xì)菌相比,古菌在人體內(nèi)的豐度相對(duì)較低,而且大多不可培養(yǎng),因此與人類相關(guān)的古菌經(jīng)常被忽視。病毒控制著微生物群落的組成和代謝,侵染古菌的病毒在基因組序列和病毒粒子結(jié)構(gòu)方面具有很高的多樣性。迄今為止,只有少數(shù)研究報(bào)道人類腸道內(nèi)存在古菌病毒,因此,與人類相關(guān)的古菌病毒仍然神秘。隨著下一代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展以及海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生,基于宏基因組學(xué)的方法有助于我們對(duì)人類的古菌組和古菌病毒組進(jìn)行廣泛的研究。本文以人類腸道宏基因組數(shù)據(jù)為研究對(duì)象,利用生物信息學(xué)的方法,對(duì)古菌病毒進(jìn)行深度挖掘,探究它們的多樣性及潛在功能。
人類腸道古菌病毒組的多樣性
研究表明約有90%古菌基因組包含CRISPR結(jié)構(gòu)

圖 1 腸道古菌病毒的鑒定
古菌病毒廣泛分布于人類腸道中
為了了解腸道古菌病毒在全球人群中的分布情況,團(tuán)隊(duì)對(duì)1279條古菌病毒contigs在人類腸道樣品中的豐度情況進(jìn)行了估計(jì),主坐標(biāo)分析 (PCoA) 和Anosim分析的結(jié)果顯示:腸道古菌病毒群落的組成在不同性別 (ANOSIM, r = 0.004, p = 0.306) 和不同BMI指數(shù) (ANOSIM, r = 0.006, p = 0.201) 的人群中并無(wú)顯著性差異。然而,當(dāng)以國(guó)家作為界限分析時(shí),我們觀察到這些古菌病毒在各地表現(xiàn)出不同的多樣性(圖2a)。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步調(diào)查了這些古菌病毒在所有腸道樣品中的檢出率,共有7種古菌病毒在人群中的檢出率>10%,雖然這些病毒被歸類到了7個(gè)不同的病毒簇(VCs)中,但它們的宿主均為Methanobrevibacter_A smithii (M.smithii)。就地理分布而言,這些古菌病毒在非洲人群中的檢出率較低,但在亞洲、歐洲和美洲人群中則具有相對(duì)較高檢出率 (圖2b)。在人類腸道中檢出率高于1%的古菌病毒共有712種,病毒序列IMG|UGV-GENOME-0271153在人群中具有最高檢出率 (72.2%),該序列長(zhǎng)度為40.51 kb,被評(píng)估為中等質(zhì)量的基因組,侵染M.smithii古菌。該病毒基因組編碼46個(gè)基因,其中8個(gè)基因被預(yù)測(cè)為有尾病毒的功能基因 (圖2c)。此外,團(tuán)隊(duì)從人類腸道樣品中共鑒定出13種smacoviruses,它們的長(zhǎng)度分布在2.0~2.5kbp之間。這些病毒與古菌基因組上7個(gè)不同spacer序列相匹配,其宿主為Methanomassiliicoccus intestinalis 或Methanomassiliicoccus_A intestinalis古菌。與亞洲和美洲人群相比,smacovirus在非洲和歐洲人群中具有更高檢出率 (圖2d)。

圖2 腸道古菌病毒的全球分布
M.smithii古菌的病毒在人類腸道古菌組中占主導(dǎo)地位
病毒能夠以多種方式影響生態(tài)系統(tǒng)及微生物進(jìn)化,例如部分噬菌體能夠通過(guò)裂解宿主細(xì)胞改變微生物的群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能;一些噬菌體能夠劫持其宿主的代謝機(jī)制,改變宿主細(xì)胞代謝產(chǎn)物濃度;噬菌體也可以作為宿主之間水平基因轉(zhuǎn)移的載體
此外,侵染M.smithii的病毒是人類腸道古菌病毒的一個(gè)主要分支,為了進(jìn)一步探索有尾古菌病毒的多樣性,團(tuán)隊(duì)以末端酶大亞基 (Terl, Large Subunit Terminase) 作為標(biāo)記構(gòu)建M.smithii古菌病毒的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),以此來(lái)估計(jì)這些病毒的多樣性(圖3d)。以上基于Terl蛋白的系統(tǒng)發(fā)育分析擴(kuò)展了M.smithii古菌病毒的多樣性,并定義了新的譜系。

圖3 古菌病毒的宿主及宿主范圍
古菌病毒基因組編碼廣泛的蛋白功能
雖然人類腸道中古菌的功能蛋白已被廣泛研究,但是對(duì)于腸道內(nèi)古菌病毒蛋白的理解卻十分有限。為此,團(tuán)隊(duì)從1279條古菌病毒代表序列上共預(yù)測(cè)出了97,208個(gè)編碼蛋白的基因,分別僅有 10.8%和 17.4% 的基因能夠與pVOG
在所有鑒定出的腸道古菌病毒中,M.smithii古菌病毒的蛋白功能最為多樣,共包含了1034種不同功能的蛋白 (只考慮了被指定生物功能的蛋白) ,其中包括一些病毒特有的功能蛋白,例如與結(jié)構(gòu)、包裝、裂解、DNA結(jié)合/調(diào)控和復(fù)制相關(guān)的蛋白,但其他一些古菌病毒則缺乏這些病毒特有的功能蛋白 (圖4b)。此外,團(tuán)隊(duì)還對(duì)36條完整古菌病毒代表序列的基因組進(jìn)行了研究 (圖4c),其中23條序列攜帶PeiW(pseudomurein endoisopeptidase)基因,揭示了該基因?qū)?/font>于病毒侵染產(chǎn)甲烷古菌的重要性。此外對(duì)33種有尾病毒基因組的分析結(jié)果表明,與人類腸道中的細(xì)菌病毒類似,溫和古菌病毒在人類腸道古菌病毒中占據(jù)主體地位。

圖4 腸道古菌病毒的蛋白功能
在這項(xiàng)研究中,團(tuán)隊(duì)對(duì)人類腸道中的古菌病毒進(jìn)行了全面的宏基因組數(shù)據(jù)挖掘,本研究結(jié)果將為深入了解人體腸道內(nèi)古菌病毒的多樣性和蛋白功能提供前所未有的見(jiàn)解,以供人們更好地了解人類腸道生態(tài)系統(tǒng)。
中科院深圳先進(jìn)院馬迎飛研究員為該文章的通訊作者,實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)碩士研究生李冉和助理研究員汪永明為文章共同第一作者。該研究得到了中科院先導(dǎo)B,中科院定量工程生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省合成基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的資助。該研究也得到腸道微生物頭部企業(yè)未知君(XBIOME)研究團(tuán)隊(duì)的支持和幫助。
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