Microbiome | 宏基因組分析揭示三種模式動物小鼠、豬、食蟹猴腸道噬菌體多樣性
6月20日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所合成微生物組學(xué)研究中心馬迎飛團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《微生物組》發(fā)表題為Metagenomic analysis reveals gut phage diversity across three mammalian models的文章。
小鼠、豬、食蟹猴是腸道微生物研究中常用的模式動物,然而目前仍缺乏對其腸道噬菌體多樣性的系統(tǒng)性研究,對不同模式動物之間腸道噬菌體的比較分析仍為空白,它們與人類腸道微生物的關(guān)聯(lián)性也尚不明晰。當(dāng)前科學(xué)家們對模式動物腸道中細(xì)菌組分的研究已經(jīng)產(chǎn)生了大量宏基因組數(shù)據(jù),病毒鑒定工具不斷迭代促進(jìn)了高質(zhì)量腸道病毒的發(fā)現(xiàn)。
基于以上背景,研究團(tuán)隊(duì)以三種模式動物腸道宏基因組數(shù)據(jù)為研究對象,利用生物信息學(xué)方法,從407、980、110個(gè)小鼠、豬、食蟹猴腸道宏基因組中挖掘得到977、12896、1480條種水平完整度>=90%的高質(zhì)量病毒序列,分別構(gòu)成hcMGV、hcPGV、hcCMGV數(shù)據(jù)庫。經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)其中大部分與已知病毒數(shù)據(jù)庫ICTV和IMG/VR相似度較低,屬于有尾噬菌體,說明hcMGV、hcPGV、hcCMGV擴(kuò)展了模式動物腸道中噬菌體的多樣性。
經(jīng)分布率估計(jì),團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)71個(gè)分布率>=60%的高分布病毒群,還發(fā)現(xiàn)小鼠、豬、食蟹猴腸道中分布率最高的5個(gè)病毒群(TOP5)與分類信息已知的ICTV病毒關(guān)聯(lián)性不強(qiáng),但有趣的是,部分來自不同模式動物的TOP5病毒群存在關(guān)聯(lián)(圖1)。
crAss樣噬菌體在人類腸道中大量存在,屬于Crassvirales目,包括Intestiviridae、Crevaviridae、Suoliviridae、Steigviridae四個(gè)科,研究者在模式動物腸道噬菌體中鑒定到315條crAss樣噬菌體(圖2)。其中182個(gè)crAss樣噬菌體與Steigviridae科距離較近,但與已知屬相互分離,說明模式動物腸道crAss樣噬菌體至少在屬水平上擴(kuò)展了Crassvirales目的多樣性。
此外,研究團(tuán)隊(duì)鑒定到了243條基因組長度>=200kb的巨型噬菌體。功能分析顯示,部分巨型噬菌體包含CRISPR-Cas系統(tǒng),其中部分Cas14蛋白結(jié)構(gòu)域完整,最短的僅由153個(gè)氨基酸構(gòu)成,具有作為基因編輯工具的潛力。經(jīng)比對發(fā)現(xiàn),模式動物腸道巨型噬菌體編碼的部分CRISPR間隔spacer序列與細(xì)菌、其它噬菌體、或自身基因組片段相匹配,暗示著模式動物腸道中巨型噬菌體編碼的CRISPR-Cas系統(tǒng)功能的復(fù)雜性(圖3)。
研究團(tuán)隊(duì)從種、屬、功能注釋三個(gè)維度,分別比較hcMGV、hcPGV、hcCMGV的異同,發(fā)現(xiàn)與hcMGV相比,hcPGV和hcCMGV之間的相似性更高(圖4)。
為了探索模式動物腸道噬菌體與人類腸道微生物的關(guān)聯(lián),研究者對hcMGV、hcPGV、hcCMGV與人類腸道病毒數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對,發(fā)現(xiàn)在核酸、蛋白水平,hcCMGV持續(xù)性表現(xiàn)出高于hcMGV和hcPGV的相似性(圖5)。在與人類腸道微生物CRISPR spacer的匹配研究中,超過半數(shù)的hcCMGV(55.88%)匹配成功,明顯高于hcMGV的33.47%或hcPGV的31.32%,進(jìn)一步說明hcCMGV與人類腸道微生物關(guān)聯(lián)更為密切。
綜上所述,本研究首次對三種模式動物的高質(zhì)量腸道噬菌體進(jìn)行深入挖掘和全面分析,揭示了小鼠、豬、食蟹猴腸道噬菌體的多樣性,為未來相關(guān)研究提供了高質(zhì)量的參考數(shù)據(jù)。此外,研究者發(fā)現(xiàn)了一些廣泛存在的新型病毒類群,首次揭示了模式動物腸道中crAss樣噬菌體和巨型噬菌體的多樣性。綜合比較分析顯示,豬、食蟹猴之間腸道噬菌體關(guān)聯(lián)性高于小鼠,食蟹猴腸道噬菌體與人類腸道微生物的關(guān)聯(lián)更為密切。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院馬迎飛研究員為文章的通訊作者,其團(tuán)隊(duì)助理研究員于夢浩為文章第一作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深圳市醫(yī)學(xué)研究專項(xiàng)資金、深圳市科技計(jì)劃以及深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的資助。

文章上線截圖

圖1 模式動物腸道中存在相互關(guān)聯(lián)的高分布病毒群

圖2 模式動物腸道中的crAss樣噬菌體

圖3 模式動物腸道中的部分巨型噬菌體包含CRISPR-Cas系統(tǒng)

圖4 模式動物腸道噬菌體的比較

圖5 模式動物腸道噬菌體與人類腸道并對的比對
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