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Microbiology Spectrum:康禹团队揭示肠道细菌噬菌体在特应性湿疹中的调节作用

     2023年3月,中国科学院北京基因组研究所(国家生物信息中心)、南方科技大学、北京大学第三医院的相关研究人员在《Microbiology Spectrum》(IF: 9.0)上发表了题为“Strain-Level Dynamics Reveal Regulatory Roles in Atopic Eczema by Gut Bacterial Phages”的研究论文,使用个人参考宏基因组(PRM)对人类肠道病毒及细菌进行同时空分析,并应用于特应性湿疹患者样本,揭示了病毒组的改变、微生物代谢和疾病缓解之间的密切时间相关性。

  亮点概述:

个人参考宏基因组(PRM)为分析肠道微生物及病毒组提供了菌株水平的分辨率。

特应性湿疹从急性发作到缓解的过程中,伴随着裂解性噬菌体crAssphage丰度的动态变化。

crAssphage噬菌体通过调节对宿主芳香族氨基酸代谢菌的裂解,影响芳香族氨基酸代谢和免疫活性物质的产生。

  研究背景:

越来越多的证据表明,肠道中的细菌噬菌体或病毒(virome)通过调节微生物代谢和宿主免疫,与许多人类疾病的发病机制相关,如炎症性肠病、肥胖、II型糖尿病、营养不良代谢综合征和自身免疫性疾病等。然而,噬菌体序列注释不足、噬菌体-宿主关系不明确以及病毒组高度个体差异等因素,阻碍了人们对人类virome的深入理解,使得其在人类健康和疾病中的作用更加难以阐明。

通常在一段时间内,个体肠道病毒组物种组成相对稳定,纵向样本对于建立病毒组、细菌组和宿主健康状况之间的动态关系至关重要。研究人员开发了一种新的方法,在纵向研究中,为个体纵向样本建立高质量的个人参考宏基因组(PRM),具体方法是:对若干来自同一个体的代表性样本进行长读测序(例如nanopore平台)及组装,去除冗余序列后进行细菌及病毒注释,获得一个高度连续的非冗余PRM,实现病毒的毒株级的分辨率。将PRM应用于纵向样本时研究,通过将短序列与PRM对齐,可以准确注释和评估同一患者所有样本中的病毒和细菌物种的丰度,从而推断病毒、宿主细菌及其携带的基因在个体微生物组中的动态变化。

研究人员应用PRM方法研究了一名2岁男孩六个月内连续采样的粪便样本,他在此期间经历了两个月的特应性湿疹(皮炎)发作。研究人员在患者的肠道微生物组中鉴定了31种病毒(噬菌体)毒株,并揭示了它们在菌株水平与细菌宿主的动态关系。观察到裂解性噬菌体crAssphage_99kb的激增,伴随着其宿主菌芳香族氨基酸分解代谢下调、免疫活性代谢物降低和疾病缓解。

个人参考宏基因组(PRM)和菌株水平的病毒组分析

此外,PRM还可以获得亚菌株分辨率。对比crAssphage_99kb不同毒株基因组序列,研究者在crAssphage一个假定的尾丝蛋白编码区的75 bp窗口内发现了数十个单核苷酸多态性(SNPs),而且这些变异都是非同义类型,即它们导致氨基酸序列的改变。根据这些排列在尾丝蛋白中的SNPs,研究人员在噬菌体变体中鉴定出11个亚株。

CrAssphage-99kb亚株的激增

随后,研究人员比较了湿疹症状活跃期(AP)和缓解期(RP)样本之间病毒组的变化模式。结果表明,噬菌体的总丰度在RP样本中急剧增加,并持续了几个月,这主要归因于几种裂解性噬菌体的增加,包括crAssphage_99kb。相反,溶原性噬菌体的相对丰度表现出降低的趋势。

鉴于crAssphage_99kb这种高丰度噬菌体在湿疹缓解过程经历了高度多样化的尾丝蛋白基因变异、亚菌株的激增、以及整体急剧富集,研究人员重点探究了crAssphage_99kb及其宿主细菌的代谢。通过代谢组学分析发现,芳香族氨基酸(AAAs)的分解代谢下调可能是由于crAssphage_99kb对其宿主菌——AAA代谢菌的裂解作用,从而控制免疫活性产生,暗示了噬菌体调节肠道代谢的新机制。

AP组和RP组之间病毒组及芳香族氨基酸代谢的变化

最后,研究人员分析了一组已发表的婴儿湿疹队列的宏基因组数据,验证了crAssphage或其它裂解性噬菌体在湿疹中的作用。与1岁时收集的样本粪便样本相比,健康儿童在2岁时表现出裂解性噬菌体和crAss phages的显著增加,而湿疹患儿则没有这一现象。

根据一项已发表的婴儿湿疹研究的原始数据,在1岁(Y1)和2岁(Y2)时收集的粪便样本中裂解性噬菌体和crAss phages的相对丰度

综上所述,该研究提供了一种简单、有效的方法,可以在整个微生物组中解读菌株水平的人类肠道病毒动态变化规律,探究肠道微生物组中噬菌体、细菌及微生物代谢之间的时空关系,提示噬菌体参与人体健康与疾病的潜在机制。

 

 
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