【原】科研 | 將腸道噬菌體基因組與2型糖尿病相關(guān)聯(lián)的人類腸道噬菌體譜（國(guó)人作品，IF：8.496）

論文ID

原名：A human gut phage catalog correlates the gut phageome with type 2 diabetes

譯名：將腸道噬菌體基因組與2型糖尿病相關(guān)聯(lián)的人類腸道噬菌體譜

期刊：Microbiome

IF：8.496

發(fā)表時(shí)間：2018年

通信作者：Yingfei Ma

通信作者單位：中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、人類腸道中復(fù)雜的噬菌體

首先，通過(guò)將WCMS的數(shù)據(jù)對(duì)比歐洲核苷酸基因組數(shù)據(jù)庫(kù)（ENADB）中的已知噬菌體基因組來(lái)鑒定腸道噬菌體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)人類腸道中的噬菌體并不包含在ENADB中。

利用pOTUs來(lái)代表腸道噬菌體（圖1b），大部分pOTUs屬于有尾噬菌體目（Caudovirales）。長(zhǎng)尾噬菌體科（Siphoviridae）含量最豐富，占所有鑒定噬菌體的55.3±9.8％，其次是肌尾噬菌體科（Myoviridae）(21.7 ± 9.9%)和短尾噬菌體科(Podoviridae)（10.6± 8.4%）。

通過(guò)3種生物信息學(xué)方法，從WCMS數(shù)據(jù)的組裝支架中鑒定大的噬菌體支架作為第一階段的分析（圖1a）。2567個(gè)10 kb以上的支架推測(cè)歸屬于噬菌體起源的（圖2a）。大的噬菌體支架的長(zhǎng)度范圍為10至187 kb，與有尾噬菌體目（Caudovirales）的噬菌體基因組大小相一致（圖2b）。通過(guò)pOTU結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)尾噬菌體科（Siphoviridae）噬菌體產(chǎn)生的支架最多，其次是肌尾噬菌體科（Myoviridae）和短尾噬菌體科(Podoviridae) (圖2c)。如圖2d所示，腸道噬菌體具有高度個(gè)體化。稀釋曲線在20個(gè)樣品左右出現(xiàn)平臺(tái)，表明本研究中定義的pOTUs足以代表樣本中的腸道噬菌體。

圖1 大噬菌體支架的鑒定和pOTU的定義

圖2 統(tǒng)計(jì)樣本中已鑒定的噬菌體

2、分析大噬菌體支架確定新噬菌體類型和腸道噬菌體的遺傳多樣性

為了建立系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)和預(yù)測(cè)腸道噬菌體的多樣性，將一般數(shù)據(jù)庫(kù)的序列對(duì)噬菌體支架編碼的基因進(jìn)行注釋（圖3）。腸道宏基因組整合基因分類中，60.4％的基因在Bactnog數(shù)據(jù)庫(kù)中存在，表明一大部分噬菌體基因序列是新鑒定出來(lái)的。本研究中鑒定的大型噬菌體支架為深入了解腸道噬菌體基因庫(kù)提供了機(jī)會(huì)。

圖3 腸道噬菌體系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

3、噬菌體和細(xì)菌的共生關(guān)系

將大噬菌體支架與其假定的細(xì)菌宿主進(jìn)行匹配（圖4），145個(gè)WCMS樣本的322個(gè)大型細(xì)菌支架中鑒定了1037個(gè)間隔序列。這些大的細(xì)菌支架是從112個(gè)宏基因組樣品中產(chǎn)生的。只有10個(gè)間隔區(qū)和匹配的噬菌體支架在同一WCMS樣品中共存（圖4）。表明CRISPR攜帶的間隔區(qū)為整個(gè)腸道細(xì)菌群體的提供高效的保護(hù)，使其免受相應(yīng)噬菌體感染。網(wǎng)絡(luò)分析也揭示了在人類腸道環(huán)境中，細(xì)菌宿主的腸道噬菌體具有特異性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明噬菌體和人類腸道細(xì)菌之間存在著緊密和共同進(jìn)化的關(guān)系。

圖4 腸道噬菌體和推斷的宿主之間的噬菌體特異性網(wǎng)絡(luò)。

4、觀察和驗(yàn)證T2D患者腸道噬菌體的顯著變化

考慮到腸道噬菌體和細(xì)菌之間的捕食者與獵物關(guān)系，預(yù)期在對(duì)照組和T2D樣品中也會(huì)觀察到噬菌體和細(xì)菌之間的相互作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在T2D樣本中Myoviridae，Podoviridae，Siphoviridae和unclassified_Caudovirales的數(shù)量顯著增加（圖5a）。將存在于2/3個(gè)樣本的pOTUs定義為核心pOTU。其中7個(gè)核心pOTUs在T2D組和對(duì)照組之間存在顯著差異，并且在T2D組中相對(duì)數(shù)量均有增加。使用MetaPhlAn和LEfSe重新分析了T2D和對(duì)照樣品之間的差異細(xì)菌類群，結(jié)果表明腸道噬菌體的改變和推測(cè)的細(xì)菌宿主的改變并不一致（圖5b）。并且，分析結(jié)果顯示T2D樣品中的標(biāo)準(zhǔn)的噬菌體數(shù)目顯著增加（圖5c）。

圖5 T2D組和對(duì)照組噬菌體與細(xì)菌類群的變化

5、共現(xiàn)/排除分析揭示腸道噬菌體和細(xì)菌體復(fù)雜相互作用

為了確定核心噬菌體和細(xì)菌之間的相互關(guān)系，采用SparCC方法計(jì)算pOTU和細(xì)菌屬之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。該網(wǎng)絡(luò)有46個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中包括8個(gè)細(xì)菌和38個(gè)噬菌體節(jié)點(diǎn)（圖6）。Faecalibacterium與Roseburia具有共生關(guān)系，并且這2個(gè)屬在對(duì)照組中富集（圖5b）。研究發(fā)現(xiàn)，埃希氏菌屬（Escherichia）和類桿菌（Bacteroides）與pOTU表現(xiàn)出顯著的相互作用，這表明它們是支配腸道生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵微生物。

圖6 SparCC確定的細(xì)菌屬和噬菌體OTUs的相互作用網(wǎng)絡(luò)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本研究使用多種復(fù)雜的生物信息學(xué)方法來(lái)探究中國(guó)T2D患者和健康成人糞便樣品中的噬菌體。這是探討腸道噬菌體與T2D的關(guān)聯(lián)性的最大規(guī)模的研究，擴(kuò)展了對(duì)人類腸道噬菌體的理解。通過(guò)大規(guī)模綜合生物信息學(xué)分析，我們確定了7個(gè)與T2D患者相關(guān)的pOTU，并闡明了腸道微生物群中噬菌體與其細(xì)菌宿主之間的相互作用。

點(diǎn)評(píng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出特異性的細(xì)菌與噬菌體相互作用之外，其他機(jī)制可能也影響著腸道生態(tài)系統(tǒng)中的噬菌體。這項(xiàng)研究表明，我們應(yīng)該更多地關(guān)注噬菌體在人類微生物組研究中的重要地位，并指出腸道噬菌體在未來(lái)診斷和治療應(yīng)用中的巨大潛力。

本文由殷繼忠編譯，莫秋芬、江舜堯編輯。