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基于多组学的成年同卵双胞胎病毒多样性与肠道菌群多样性研究

来源:admin    发布时间:2020-09-10   阅读数:91

关于双胞胎你是否有很多的问号,同卵双胞胎病毒之间的相关性有多大?今天推荐的是一篇基于多组学的成年同卵双胞胎病毒多样性与肠道菌群多样性研究,一起来欣赏吧。


原标题:

Virome Diversity Correlates with Intestinal Microbiome Diversity in Adult Monozygotic Twins

成年同卵双胞胎病毒多样性与肠道菌群多样性相关

期刊:Cell Host & Microbe

IF:15.753

时间:2019-2-13

组学:宏病毒组+宏基因组

作者:J.LeonardoMoreno-Gallego;Shao-Pei Chou;Sara C. Di Rienzi 等


一、摘要

病毒组在微生物群落中的探索和研究中相对占比仍然是很少的。本文作者研究了同卵双胞胎的病毒组,这样就能在没有宿主遗传变量的情况下,探究微生物组多样性与病毒组多样性之间的关系。根据微生物组的高低对双胞胎进行了分类,发现了与病毒组的相关性。


二、研究背景

1. 人类肠道微生物组由大量的细菌,连同少数古菌和真核细胞,共同形成一个密度非常高的微生态系统。微生物组的细胞和病毒组的成分的比例大致相等。

2. 在婴儿中,同卵双胞胎之间的病毒组比无关个体之间的病毒组更相似。在成年双胞胎中没有观察到这种模式。

基于以上两个主要背景,研究者通过研究成年同卵双胞胎的样本,排除了个体遗传相关性因素的影响。根据具有高度一致性或高度不一致性的微生物组对成年双胞胎进行分组,研究他们病毒组和微生物组的关联情况,实验设计上很巧妙。


三、结果

1、选择微生物组一致或者不一致的同卵双胞胎

作者选择了具有相似体重指数( BMI )的双胞胎,基于之前获得的16S rRNA基因测序数据,它们的微生物组样本间β-多样性要么一致,要么不一致。在这项研究中,成年的同卵双胞胎没有住在共同的家庭,并且假设双胞胎之间的其他环境变化是相似的。

Fig.1 双胞胎微生物组的不一致性

Fig.1 双胞胎微生物组的不一致性


首先是基于三个β-多样性距离确定同卵双胞胎微生物组之间的一致或不一致程度(这三个距离是Bray-Curtis、加权(weighted)UniFrac和未加权(unweighted)UniFrac)并构建三维坐标。然后从所有三种分布的边界中选择了21对同卵双胞胎(图1A),同时保持年龄和体重指数在整个组中的平衡。

不具有微生物组一致性的同卵双胞胎的微生物组在所有的分类学水平上都有不同的组成,特别是在门的水平上,Firmicutes和Bacteroidetes是两个主要的门,对同卵双胞胎之间的差异贡献最大(图1B/C)。

从之前研究中的354对单卵双胞胎微生物组的β-多样性中筛选合适的样本。每个点代表一对双胞胎的β-多样性,使用加权weighted UniFrac (x轴)、未加权unweighted UniFrac (z轴)和Bray-Curtis(y轴)方法测量构建三维坐标。从坐标两端中(concordant/discordant)选择具有微生物组具有一致性(蓝色)和微生物组不具有一致性(橙色)的同卵双胞胎子集。


2、类病毒颗粒(VLPs)的鸟枪法宏基因组测序

研究者从用于16S rRNA基因多样性分析的相同粪便样品中分离出类病毒颗粒。从类病毒颗粒中提取的DNA用于全基因组扩增,然后进行鸟枪法宏基因组测序。


3、识别假定的细菌污染

从类病毒颗粒制备和测序的病毒可能被细菌DNA污染,在溶源噬菌体状态下,温和病毒通常占细菌基因组的10 %,去除潜在的细菌污染也可能去除病毒序列。

为了评估细菌DNA的污染,研究者把病毒序列比对到一组8163个完全组装的细菌基因组上。比对到短区域的序列被认为是溶源噬菌体或水平转移的基因而被保留下来。比对到基因组的序列被确定为潜在污染物,去除它们之后再进行进一步的分析。

基于多组学的成年同卵双胞胎病毒多样性与肠道菌群多样性研究

 Fig.2 A图表示单个样品在去除被认定为污染的read之前(上图)与之后(下图)的类病毒颗粒(VLP)比对到细菌基因组的热图。B图是从所有类病毒颗粒(VLP)提取物中识别出来的65个污染细菌基因组,基于NCBI的进化树图。左图:所有个体中细菌基因组的总丰度。右图: 类病毒(VLP)提取物中细菌基因组的丰度与微生物组中16S rRNA基因图谱之间的Spearman相关系数。


65个细菌基因组是潜在的污染,每个样品的序列中1 % ± 1.125 %比对到细菌基因组。主要检测到的菌有:Bacteroides dorei, B. vulgatus, Ruminococcus bromii, Faecalibacterium prausnitzii, B. xylanisolvens, Odoribacter splanchnicus和B. caecimuris。

研究者认为:如果微生物组中最丰富的细菌种类是最可能的污染源,那么它们作为污染物的相对丰度应该与它们在微生物组中的相对丰度相对应。然而,观察到他们之间没有显著的相关性。


4、病毒在类病毒颗粒纯化中的富集

使用IGC的KEGG对小片段文库的原始序列进行了注释,根据以前的研究结果,大部分宏基因组类病毒颗粒的序列(85.43 % ± 5.74 %)被比对到未知功能的基因(图3A)。

为了进一步验证序列来源于类病毒颗粒而不是微生物组,比较了四个补充个体的类病毒颗粒(A.V)和粪便样品(A.M)的宏基因组数据。来自相同样品的病毒组和微生物组的功能分布是不同的。比对到注释基因的病毒组序列在两个类别中富集:遗传信息过程(48.87 % ± 12.12 %)和核苷酸代谢 ( 17.59 % ± 8.81 % ),相比之下微生物宏基因组中分别为24.31 % ± 1.28 %和5.47 % ± 0.4 %(图3B)。细菌宏基因组中存在的大多数功能类别在病毒组中都不存在。

Fig.3 粪便宏基因组和病毒组的功能基因比较图
Fig.3 粪便宏基因组和病毒组的功能基因比较


5、噬菌体占肠道病毒组的优势

基于多组学的成年同卵双胞胎病毒多样性与肠道菌群多样性研究

Fig.4 A. 同卵双胞胎的病毒组在科水平的组成;B .微生物组具有一致性(蓝色点)和不具有一致性(橙色点)的同卵双胞胎在科水平的相对丰度差异。


病毒组以噬菌体为主,只有6.42 %的contig被注释为真核病毒。大多数contig是dsDNA病毒,而只有2.43 %的contig被标注为ssDNA病毒。因此文章对两个高度丰富的肠道相关噬菌体家族进行了定制注释。两组在目和科水平上没有显著差异,包括crAssphage和Microviridae科。


6、病毒多样性与微生物多样性相关

研究者从三个不同层次检查了病毒组的样本内α-多样性和β-多样性:(1)病毒类型(virotypes),( 2 )分类注释的contig,( 3 )从短序列中注释的基因。

Fig.5 绘制病毒组香农α-多样性(纵坐标)与微生物组香农α-多样性(横坐标)的相关性

Fig.5 绘制病毒组香农α-多样性(纵坐标)与微生物组香农α-多样性(横坐标)的相关性


噬菌体多样性与微生物组多样性相关,但与真核病毒多样性不相关。这些结果表明,不管宿主之间的遗传相关性如何,个体的微生物组越相似,病毒组也会越相似。


四、结论

病毒组在人类肠道微生物组中是最容易改变的组分之一。在双胞胎中,婴儿的病毒是相似的,但成年人则不一样,这表明随着双胞胎年龄的增长,他们所处的环境和微生物组各不相同,病毒组也一样会发生变化。微生物群落在多大程度上驱动了病毒组的多样性还不清楚。在这个研究中,作者研究了21对成年同卵双胞胎中微生物组和病毒组多样性之间的关系,这些双胞胎按微生物组一致性的高或低来分类。来自类病毒颗粒的病毒组对于每个个体都是独一无二的,主要由尾状科病毒(Caudovirales) 和微病毒科( Microviridae) 组成,并显示出一个包含crAssphage的小核心(small core)。微生物组不一致的双胞胎比一致的双胞胎显示出更多不同的病毒组,并且微生物组越丰富,病毒组就越丰富。这些模式是由噬菌体驱动的,而不是真核病毒。总的来说,这些观察支持微生物组在病毒组形成中起到了重要的作用。




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