腸道包含著大量的微生物,它們棲息于不同的生態(tài)位,在彼此以及與人類細(xì)胞之間形成復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)。除了細(xì)菌之外,數(shù)十萬種被稱為噬菌體的病毒也生活在那里,它們依靠感染細(xì)菌延續(xù)自身,研究人員認(rèn)為,并非所有病毒都是有害的,而是腸道生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。
主要結(jié)論
01
構(gòu)建腸道噬菌體數(shù)據(jù)庫(GPD)
本研究針對(duì)來自全球的28060份宏基因組和2898個(gè)腸道細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)分析其中噬菌體序列,利用VirFinder和VirSorter篩選到4500萬個(gè)contig,通過“machine-learning approach”過濾可移動(dòng)遺傳元件(MGE),并利用基因密度和假想蛋白質(zhì)分?jǐn)?shù)來區(qū)分質(zhì)粒和整合性接合元件(ICE)中的噬菌體從而提高序列集的質(zhì)量,最終通過95%的ANI值進(jìn)行序列過濾,得到142809個(gè)腸道噬菌體序列,構(gòu)建了迄今為止最完整的人類腸道噬菌體數(shù)據(jù)庫(GPD),通過CheckV評(píng)估,組裝的噬菌體基因組中,9.4%達(dá)到完整水平,19.6%為高質(zhì)量基因組。與其他腸道噬菌體數(shù)據(jù)庫(IMG/VR、GVD、refSeq)相比,GPD中噬菌體基因組中值為~31 kb,是其他數(shù)據(jù)庫的2-3倍。根據(jù)序列相似度≥90%&覆蓋度≥75%構(gòu)建病毒群體(VCs)。
圖A 搭建GPD數(shù)據(jù)庫
圖B GPD基因組完整性評(píng)估
圖C GPD與其他腸道噬菌體數(shù)據(jù)庫的比較
02
腸道噬菌體的宿主分配及范圍
通過收集2898個(gè)高質(zhì)量的人類腸道細(xì)菌分離體基因組,預(yù)測(cè)每個(gè)噬菌體預(yù)測(cè)最可能的細(xì)菌宿主,通過在原始集合中分析原噬菌體以及 CRISPR spacers,我們將40932個(gè)GPD噬菌體與2157個(gè)菌株關(guān)聯(lián)起來。共現(xiàn)性分析發(fā)現(xiàn)在92%的時(shí)間里,噬菌體與其預(yù)測(cè)的宿主同時(shí)存在于同一個(gè)宏基因組樣本中。在人腸道常見的四種菌門中(Firmicutes,Bacteroidetes, Proteobacteria, and Actinobacteriota),GPD噬菌體更傾向于感染Firmicutes。
圖 腸道噬菌體的細(xì)菌宿主分配和宿主范圍
03
生活方式與全球腸道噬菌體分布密切相關(guān)
針對(duì)GDP中的28060個(gè)宏基因組進(jìn)行分析,通過計(jì)算樣本間的Jaccard距離,發(fā)現(xiàn)北美、歐洲和亞洲的噬菌體組成與非洲和南美樣本具有顯著差異。推測(cè)人體腸道噬菌體的組成模式與人類生活方式差異息息相關(guān),如城市和農(nóng)村不同的生活方式會(huì)造成腸道噬菌體組成的差異,人體腸道微生物群落中的細(xì)菌組成也會(huì)影響噬菌體組成,普氏菌科細(xì)菌(Prevotellaceae bacteria)在生活在農(nóng)村的人體腸道中更為常見,而擬桿菌類細(xì)菌(Bacteroides)在生活在城市的人體腸道中更為常見,基于噬菌體的宿主溯源數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),非洲和南美宏基因組樣本中Prevotellaceae 家族的比例明顯高于北美、歐洲、亞洲和澳大利亞;相反,擬桿菌噬菌體在北美、歐洲、亞洲和澳大利亞的人腸道微生物群中明顯更為普遍。
圖A PCA 分析
圖B Prevotellaceae bacteria、Bacteroides在人群中的分布
04
全球280個(gè)噬菌體VCs的分布
crASS家族包括10個(gè)屬,具有明顯的全球分布性,所以我們推測(cè)VCs也具有全球性,通過分析得到280個(gè)至少在五大洲中發(fā)現(xiàn)的VCs。在這280個(gè)VCs中,有119個(gè)屬于尾病毒目,其中有10個(gè)屬于短尾噬菌體科、28個(gè)屬于肌尾噬菌體科和43個(gè)長(zhǎng)尾噬菌體科。全球分布的VCs-宿主網(wǎng)絡(luò)圖中發(fā)現(xiàn),普雷沃菌屬與37個(gè)VCs密切相關(guān),其次糞桿菌屬和羅斯氏菌屬。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)全球分布的噬菌體比在單一大陸發(fā)現(xiàn)的噬菌體分類跨度更大,說明VCs的宿主范圍廣泛有助于它們?cè)谌祟愔辛餍小?/span>
圖 全球腸道噬菌體分支及其細(xì)菌宿主
參考文獻(xiàn):Massive expansion of human gut bacteriophagediversity
DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.029
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