Cell Host & Microbe | 噬菌體培養(yǎng)組解析腸道“暗物質(zhì)”
北京時間4月12日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所馬迎飛課題組與戴磊課題組合作在Cell Host & Microbe發(fā)表題為“Large-scale phage cultivation for commensal human gut bacteria”的最新研究成果,該工作首次建立了大規(guī)模腸道主要共生細(xì)菌噬菌體培養(yǎng)組技術(shù),利用噬菌體培養(yǎng)物解析了腸道細(xì)菌和噬菌體長期共存的機(jī)制,并展示了這些噬菌體在腸道菌群調(diào)控中的應(yīng)用潛力。
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研究顯示,噬菌體是人體微生態(tài)系統(tǒng)中最多樣化卻仍未被準(zhǔn)確識別的成分。這些噬菌體和其宿主細(xì)菌之間的相互作用影響著人體健康。利用噬菌體療法精準(zhǔn)靶向調(diào)節(jié)腸道菌群是當(dāng)前腸道微生物研究的前沿領(lǐng)域。鑒于噬菌體-細(xì)菌之間復(fù)雜的關(guān)系,解析腸道微生物群落中的噬菌體結(jié)構(gòu)、組成和功能,對于開展針對腸道重要致病菌的噬菌體療法至關(guān)重要。此外,宏基因組研究發(fā)現(xiàn)腸道中細(xì)菌和噬菌體可以長期穩(wěn)定共存,它們能夠穩(wěn)定共存的機(jī)制是什么?開展以上研究,如何獲得腸道細(xì)菌的噬菌體培養(yǎng)物是當(dāng)前人體腸道微生物組研究中亟待解決的問題。
科研團(tuán)隊(duì)針對腸道常見共生細(xì)菌開發(fā)了一系列噬菌體分離培養(yǎng)技術(shù)。在測試的源自健康人的411株腸道共生細(xì)菌中,成功獲得了可以分別侵染其中42種細(xì)菌的209株非冗余噬菌體。這些菌包括15種擬桿菌、19種厚壁菌、4種放線菌和4種變形菌。這209個噬菌體,基因組大小在12kb-168kb之間,超過80%的噬菌體屬于尚未被描述的分類屬,顯示了這些噬菌體具有很高的新穎性和多樣性。
有趣的是,這些可培養(yǎng)的噬菌體中包含一類擁有極小基因組的有尾噬菌體,其基因組大小在10-20 kbp之間,并且分類上形成了一個獨(dú)立的分支。它們的宿主細(xì)菌全部屬于革蘭氏陽性菌,這其中包括在人體腸道中廣泛存在的雙歧桿菌和梭菌。根據(jù)ICTV對有尾噬菌體分類的標(biāo)準(zhǔn),所有這些小基因組噬菌體都被歸類為Salasmaviridae病毒科,分別屬于兩個亞科和83個屬。電鏡照片顯示Salasmaviridae噬菌體屬于短尾噬菌體(圖1),頭部直徑在30-50nm,基因組具有相似的組織結(jié)構(gòu),并擁有保守的直系同源蛋白,如DNA 聚合酶等。此外,還發(fā)現(xiàn)有2株噬菌體PD491P1和AS73P1所代表的類群比crAss-like噬菌體(crAss-like噬菌體被認(rèn)為是人體腸道中分布最廣泛的噬菌體)在人群中有著更為廣泛的分布(圖2)。這些噬菌體的宿主細(xì)菌都屬于擬桿菌目,包括Bacteroides、Alistipes、Odoribacter、Parabacteroide、Prevotella和Barnesiella等人體腸道中主要的擬桿菌成員,但是和其它已經(jīng)分離的這類細(xì)菌的噬菌體顯著不同,形成了一個獨(dú)立的分支,根據(jù)ICTV對有尾噬菌體分類的標(biāo)準(zhǔn),科研團(tuán)隊(duì)將這些噬菌體歸類為一個新的噬菌體科,暫命名為Paboviridae。
之前的生物信息學(xué)分析表明,約三分之一的人類腸道噬菌體可能具有廣泛的宿主范圍。科研團(tuán)隊(duì)選取擬桿菌和副擬桿菌的噬菌體測試其宿主譜的范圍。在上千次的交叉侵染測試中,均沒有觀察到噬菌體跨種侵染宿主的現(xiàn)象,表明這些噬菌體具有高度的宿主特異性(圖3A)。而且發(fā)現(xiàn)這些來自同一個種的細(xì)菌在菌株水平也表現(xiàn)出了多樣性的噬菌體敏感性,即使這些細(xì)菌來自同一個人的糞便樣本(圖3B),表明腸道細(xì)菌在菌株水平存在復(fù)雜多樣的噬菌體抗性機(jī)制。因此,腸道細(xì)菌在菌株水平多樣性的噬菌體抗性機(jī)制是腸道細(xì)菌和噬菌體長期穩(wěn)定共存的重要原因。
最后,為了證明使用GPIC噬菌體調(diào)節(jié)人類腸道菌群的可行性,團(tuán)隊(duì)選擇了8種具有不同基因組序列和不同宿主特異性的脆弱擬桿菌噬菌體,組成了具有廣宿主范圍的噬菌體雞尾酒。在三位供體糞便樣本的腸道菌群體外培養(yǎng)體系中,噬菌體添加24h后,脆弱擬桿菌的豐度均顯著降低了,同時伴隨著菌群組成的劇烈變化(圖3C和3D)。在更長時間的連續(xù)培養(yǎng)中,噬菌體雞尾酒也可以降低脆弱擬桿菌的豐度(圖3E和3F),顯示出對目標(biāo)物種的持久敲低作用。
綜上,本研究針對腸道主要共生細(xì)菌構(gòu)建噬菌體資源庫,展示了這些噬菌體培養(yǎng)物在腸道菌群調(diào)控中的價值。利用這一資源擬開展的腸道噬菌體和細(xì)菌的互作研究,有助于深入了解腸道微生物組的多樣性、功能和作用,為預(yù)防和治療相關(guān)疾病提供新的思路和方法。
中科院深圳先進(jìn)院馬迎飛研究員和戴磊研究員為該論文的共同通訊作者,助理研究員沈俊濤為該論文的第一作者,該研究工作依托深圳合成生物研究重大科技基礎(chǔ)設(shè)施完成,也得到了清華大學(xué)深圳國際研究生院李炳團(tuán)隊(duì)和香港大學(xué)張彤團(tuán)隊(duì)提供的重要幫助。
該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2019YFA0906700),中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDB29050501),國家自然科學(xué)基金(31971513、32061143023),廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(2020A1515110184)和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的資助。
圖1:人體腸道中小基因組噬菌體的發(fā)現(xiàn)與表征
圖2:人體腸道高流行率的噬菌體新科 Paboviridae的發(fā)現(xiàn)
圖3:人體腸道噬菌體的宿主特異性與菌群調(diào)控作用
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