科研 | 将肠道噬菌体基因组与2型糖尿病相关联的人类肠道噬菌体谱（国人作品，IF：8.496）
导读
肠道菌群被认为是影响人类健康的关键因素，各种人类慢性疾病都可能与肠道微生物菌群的生态失调有关。而噬菌体则被认为是人类肠道生态系统中含量最丰富的生物实体。在这项研究中，为了更好地了解人类肠道中的噬菌体，利用370名中国II型糖尿病（T2D）患者和非糖尿病患者的粪便样品的WCMS数据，使用3种生物信息学方法来鉴定噬菌体来源并定义噬菌体操作分类单元（pOTUs）。本文首次研究肠道噬菌体谱与T2D的相关性，通过深入研究以确定肠道噬菌体谱对T2D的影响。
原名：A human gut phage catalog correlates the gut phageome with type 2 diabetes
译名：将肠道噬菌体基因组与2型糖尿病相关联的人类肠道噬菌体谱
期刊：Microbiome
IF：8.496
发表时间：2018年
通信作者：Yingfei Ma
通信作者单位：中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所
1、人类肠道中复杂的噬菌体
首先，通过将WCMS的数据对比欧洲核苷酸基因组数据库（ENADB）中的已知噬菌体基因组来鉴定肠道噬菌体。结果发现大多数人类肠道中的噬菌体并不包含在ENADB中。
利用pOTUs来代表肠道噬菌体（图1b），大部分pOTUs属于有尾噬菌体目（Caudovirales）。长尾噬菌体科（Siphoviridae）含量最丰富，占所有鉴定噬菌体的55.3±9.8％，其次是肌尾噬菌体科（Myoviridae）(21.7 ± 9.9%)和短尾噬菌体科(Podoviridae)（10.6± 8.4%）。
通过3种生物信息学方法，从WCMS数据的组装支架中鉴定大的噬菌体支架作为第一阶段的分析（图1a）。2567个10 kb以上的支架推测归属于噬菌体起源的（图2a）。大的噬菌体支架的长度范围为10至187 kb，与有尾噬菌体目（Caudovirales）的噬菌体基因组大小相一致（图2b）。通过pOTU结果发现，长尾噬菌体科（Siphoviridae）噬菌体产生的支架最多，其次是肌尾噬菌体科（Myoviridae）和短尾噬菌体科(Podoviridae) (图2c)。如图2d所示，肠道噬菌体具有高度个体化。稀释曲线在20个样品左右出现平台，表明本研究中定义的pOTUs足以代表样本中的肠道噬菌体。
图1 大噬菌体支架的鉴定和pOTU的定义
图2 统计样本中已鉴定的噬菌体
2、分析大噬菌体支架确定新噬菌体类型和肠道噬菌体的遗传多样性
为了建立系统进化树和预测肠道噬菌体的多样性，将一般数据库的序列对噬菌体支架编码的基因进行注释（图3）。肠道宏基因组整合基因分类中，60.4％的基因在Bactnog数据库中存在，表明一大部分噬菌体基因序列是新鉴定出来的。本研究中鉴定的大型噬菌体支架为深入了解肠道噬菌体基因库提供了机会。
图3 肠道噬菌体系统发育树
3、噬菌体和细菌的共生关系
将大噬菌体支架与其假定的细菌宿主进行匹配（图4），145个WCMS样本的322个大型细菌支架中鉴定了1037个间隔序列。这些大的细菌支架是从112个宏基因组样品中产生的。只有10个间隔区和匹配的噬菌体支架在同一WCMS样品中共存（图4）。表明CRISPR携带的间隔区为整个肠道细菌群体的提供高效的保护，使其免受相应噬菌体感染。网络分析也揭示了在人类肠道环境中，细菌宿主的肠道噬菌体具有特异性。实验结果也表明噬菌体和人类肠道细菌之间存在着紧密和共同进化的关系。
图4 肠道噬菌体和推断的宿主之间的噬菌体特异性网络。
4、观察和验证T2D患者肠道噬菌体的显著变化
考虑到肠道噬菌体和细菌之间的捕食者与猎物关系，预期在对照组和T2D样品中也会观察到噬菌体和细菌之间的相互作用。结果发现，在T2D样本中Myoviridae，Podoviridae，Siphoviridae和unclassified_Caudovirales的数量显着增加（图5a）。将存在于2/3个样本的pOTUs定义为核心pOTU。其中7个核心pOTUs在T2D组和对照组之间存在显着差异，并且在T2D组中相对数量均有增加。使用MetaPhlAn和LEfSe重新分析了T2D和对照样品之间的差异细菌类群，结果表明肠道噬菌体的改变和推测的细菌宿主的改变并不一致（图5b）。并且，分析结果显示T2D样品中的标准的噬菌体数目显着增加（图5c）。
图5 T2D组和对照组噬菌体与细菌类群的变化
5、共现/排除分析揭示肠道噬菌体和细菌体复杂相互作用
为了确定核心噬菌体和细菌之间的相互关系，采用SparCC方法计算pOTU和细菌属之间的网络关系。该网络有46个节点，其中包括8个细菌和38个噬菌体节点（图6）。Faecalibacterium与Roseburia具有共生关系，并且这2个属在对照组中富集（图5b）。研究发现，埃希氏菌属（Escherichia）和类杆菌（Bacteroides）与pOTU表现出显著的相互作用，这表明它们是支配肠道生态系统的关键微生物。
图6 SparCC确定的细菌属和噬菌体OTUs的相互作用网络
本研究使用多种复杂的生物信息学方法来探究中国T2D患者和健康成人粪便样品中的噬菌体。这是探讨肠道噬菌体与T2D的关联性的最大规模的研究，扩展了对人类肠道噬菌体的理解。通过大规模综合生物信息学分析，我们确定了7个与T2D患者相关的pOTU，并阐明了肠道微生物群中噬菌体与其细菌宿主之间的相互作用。
实验结果指出特异性的细菌与噬菌体相互作用之外，其他机制可能也影响着肠道生态系统中的噬菌体。这项研究表明，我们应该更多地关注噬菌体在人类微生物组研究中的重要地位，并指出肠道噬菌体在未来诊断和治疗应用中的巨大潜力。
本文由殷继忠编译，莫秋芬、江舜尧编辑。