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,，通過將WCMS的數(shù)據(jù)對(duì)比歐洲核苷酸基因組數(shù)據(jù)庫（ENADB）中的已知噬菌體基因組來鑒定腸道噬菌體。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來代表腸道噬菌體（圖1b）,，大部分pOTUs屬于有尾噬菌體目（Caudovirales）,。長尾噬菌體科（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以上的支架推測歸屬于噬菌體起源的（圖2a）,。大的噬菌體支架的長度范圍為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pOTU結(jié)果發(fā)現(xiàn),，長尾噬菌體科（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)化樹和預(yù)測腸道噬菌體的多樣性,，將一般數(shù)據(jù)庫的序列對(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)庫中存在,，表明一大部分噬菌體基因序列是新鑒定出來的,。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提供了機(jī)會(huì)。

圖3 腸道噬菌體系統(tǒng)發(fā)育樹

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)方法來探究中國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,。