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Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線數據庫

2019年10月12日來源:知幾未來研究院 作者: 提供人:renshen76......

導讀

10月9日,《Cell Host & Microbe》發布一項人類腸道病毒基因組研究。它表明:

  • 在不同的健康人類個體中,存在一種穩定且占優勢的病毒組,它可在至少一年內保持穩定;

  • 人類腸道中的2類優勢病毒是:劇毒crAss樣(Virulent crAss-like)微病毒科(Microviridae)噬菌體;

  • 這2類噬菌體在腸道中持續存在,并與腸道細菌中的優勢菌屬密切相關;

  • 人類腸道病毒基因組,具有穩定、多樣、高度個體化的特征。

來自科克大學的微生物學家們的出色工作,為人類腸道中的噬菌體生成了一個全新的數據庫。

它為今后的腸道病毒組研究,提供了重要且基礎的工具。

Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線數據庫

研究名稱:The Human Gut Virome Is Highly Diverse, Stable, and Individual Specific

期刊:Cell Host & Microbe

發表時間:2019年10月9日

IF:15.753

DOI:10.1016/j.chom.2019.09.009

人類腸道微生物群是一個復雜的生態系統,這些微生物包括細菌、古細菌、真菌、病毒等等,它們共同在宿主中發揮重要作用,并與人類一同進化。

2003年,人類腸道病毒組的首次宏基因組研究已經揭示,人類腸道中含有大量病毒(超過10^12種)。而且,這些病毒大部分都是復雜、多樣的噬菌體,它們通過捕食細菌和水平基因轉移,在形成微生物群落方面發揮著關鍵作用。

Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線數據庫

噬菌體,圖源:time

如今,十多年過去了,有關人類腸道病毒組的研究取得了長足進展。但是,對于它們如何與人類腸道中的細菌相互作用,科學家們還知道得不是很多。

更重要的一點是,病毒宏基因組學方法存在許多明顯的瑕疵,它阻礙了我們對噬菌體群落的進一步認知。比如:

難以區分真正的病毒序列和細菌DNA污染、DNA擴增偏差;現有病毒數據庫不足,無法分類分配大多數序列(“病毒暗物質”);以及缺乏噬菌體宿主范圍和感染周期類型的信息。

迄今為止,大多數有價值的研究都是跨學科的,它們雖然非常重要,但基本只為科學家提供了病毒群落的驚鴻一瞥。人類腸道病毒組的開創性縱向研究,只對13個個體進行了1-2.5年的觀察,并且時間跨度較短(以天計)。

Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線數據庫

《Cell Host & Microbe》發表的同期配評《噬菌體:不只是過客》認為,神秘且復雜噬菌體群落,代表了我們對人類微生物群及其構成力量理解上最大的“鴻溝”之一。

為了解決這些問題,科克大學的微生物學家Andrey Shkoporov和同事們,決定著手建立健康人腸道病毒組基線。

他們解決了一個主要問題:病毒數據庫問題。

對10個健康成人腸道病毒組的全面縱向研究

Shkoporov和同事們對9個人的腸道病毒組進行了一整年的監測,對1個人進行了兩年多的監測,其中4名男性,6名女性。

研究人員沒有依賴現存的不完整的病毒序列數據庫,而是采用新的病毒發現方法,在嚴格去除污染細菌序列后,創建了一個大目錄:它包括10名受試者樣本中、39254個非冗余的完整和部分病毒基因組片段。

他們發現:在人類的腸道中,存在一個穩定的、在數量上占優勢的病毒基因組,這些病毒具有高度的個體特異性。Shkoporov等人,稱之為“持久性個體病毒組”(persistent personal viromes,PPVs)

該PPVs主要由劇毒crAs樣噬菌體、尾狀目order Caudovirales的其他成員,以及劇毒微病毒科組成這些PPVs 具備高度的個體特異性,并可在至少1年、至多26個月中保持穩定——盡管這10個人的工作環境是相同的。

Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線數據庫

研究結果揭示了許多有尾噬菌體目和微病毒科中,先前未知噬菌體的存在。

他們也同樣檢測到了幾種具有代表性的病毒科噬菌體、以及真核ssDNA(單鏈DNA)病毒(Circoviridae, Anelloviridae, Genomoviridae)。

特別值得注意的是,他們還檢測到了相當數量的弗吉尼亞科Virgaviridae的植物RNA病毒。

此外,在連續時間點上的縱向抽樣,使得他們能夠更仔細地觀察由一些微病毒科和類crAss噬菌體控制的病毒組(數十個病毒組),并了解噬菌體菌株的出現模式。

研究人員發現,盡管在噬菌體種群內出現了新的優勢菌株并變得穩定,但菌株內部的異質性水平仍然存在。他們還推斷,這些噬菌體的宿主帶有CRISPR間隔區,這說明,它們更有可能感染Bacteroidetes擬桿菌門內的Bacteroides、Prevotella和 Parabacteroides——它們是人類腸道中的常駐細菌

Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線數據庫

個體間病毒組特異性、穩定性及與細菌學組成的相關性

總的來說,這項研究證實,在人類的腸道中,存在一個穩定的、在數量上占優勢的病毒基因組,且這些病毒組具有高度的個體特異性。

研究人員基于病毒基因組的聚類和新的分類注釋,確定了幾種類crAss和微病毒科噬菌體,是人類腸道最穩定的定殖者。

基于CRISPR的宿主預測,突出了這些穩定的病毒群落與優勢腸道細菌類群之間的聯系:大多數PPV噬菌體可感染Bacteroides, Faecalibacterium, Eubacterium, Prevotella, Parabacteroides菌。

Cell子刊發布人體腸道病毒基因組:一份全新噬菌體基線數據庫

通過CRISPR spacer matches預測的PPV噬菌體簇宿主

“它證實了最近的報道——健康成人之間沒有共同的核心腸道病毒群,這與人類的腸道菌群形成了對比,我們顯然存在更多共有的細菌成員”,人類腸道病毒組研究者Evelien Adriaenssens說。

一些微生物學研究者認為,這項研究引出了更令人興奮的問題:

是什么力量塑造了使每一個個體特定的病毒群?在不同的個體中,又是哪些在序列水平上不相關的噬菌體占據了相同的生態位?

在擁有健康病毒組的數據基線之后,科學家們將可以開始研究與之相關的疾病,并確定病毒組的哪些變化可以作為疾病的標志。

Adriaenssens評論認為,下一步的工作是解開病毒群中主要參與者的功能角色。“我們需要能夠將噬菌體與其宿主連接起來,為此,我們需要良好的細菌和噬菌體培養系統,以及測試它們的模型系統”。

封面圖源 Time

噬菌體 / 腸道微生物群

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