肠道病毒数据库揭示了人类肠道病毒多样性的年龄依赖性模式

2024-04-18 22:52:34
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核心提示:肠道生态失调可由宿主、同源微生物群和外部环境因素造成。在肠道微生物联盟中,细菌组是研究最广泛的,其中观察到健康和患病个体之间种群动态的显着变化。

  人类肠道微生物组现在被认为在健康和疾病中起着不可或缺的作用。肠道微生物群落结构、多样性和功能的持续改变(生态失调)越来越被认为是建立和维持越来越多的疾病状态的关键因素,包括肥胖和癌症。肠道生态失调可由宿主、同源微生物群和外部环境因素造成。在肠道微生物联盟中,细菌组是研究最广泛的,其中观察到健康和患病个体之间种群动态的显着变化。然而,新兴观点表明肠道病毒组通过与共同发生的细菌组甚至直接与人体免疫系统成分的多种相互作用途径,在稳态调节和疾病进展中起重要作用。

  2020年,美国的研究人员Ann C. Gregory等人在《Cell Host & Microbe》杂志上发表了题为The Gut Virome Database Reveals Age-Dependent Patterns of Virome Diversity in the Human Gut的研究论文。在这篇文章中,作者发现了来自32项研究的2697个肠道宏基因组组装揭示了33242个病毒种群,研究分析揭示了在病毒群体水平上强烈的研究偏差,与富含VLP的宏基因组相比,病毒群体的批量检测更高,在健康的西方人中,肠道病毒的多样性取决于年龄。

  Gut Virome Database (GVD)包含33,242个独特的病毒群体,以噬菌体为主。GVD的含量是迄今为止病毒参考数据库中整套培养的噬菌体分离物的12倍。因此,GVD极大地增加了人类肠道中已知噬菌体的库。

  在分类学上,97.7%的GVD病毒群是细菌病毒(即噬菌体),2.1%是真核病毒,0.1%是古细菌病毒。712种真核病毒在分类学上具有多样性(来自23个科),以单链DNA(ssDNA)家族Anelloviridae(71%),Genomoviridae(8%)和Circoviridae(8%)为主。人类小核糖核酸病毒科最具代表性(Parechoviruses, Coxsackievirus, Cosaviruses, Enterovirus, and Hepatovirus),还有8种植物或真菌病毒属于 Alphaflexviridae 和 Virgaviridae,和1个推测的属于Cruliviridae的成员。以前已有植物病毒检测的报道,这可能是饮食习惯短暂传播的结果,与胃肠道疾病相关的人类小核糖核酸病毒是意料之中的。除了双链的尾噬菌体家族(Siphoviridae, Myoviridae, Podoviridae, and Ackermannviridae), Microviridae 和 Inoviridae,88%的噬菌体没有被ICTV进行分类。检测到24个未知的古菌病毒群,但没有一个与任何分类的古菌病毒具有密切的基因组和/或基因同源性。尽管如此,大量未分类的噬菌体可能是由于参考数据库中人类肠道噬菌体的代表性不足造成的,并进一步强调了人类肠道中仍有多少病毒多样性有待表征。

  与当前病毒基因组数据库相比,GVD 显著提高了病毒检测能力。在所测试的32项研究中,有31项GVD能够检测出的病毒明显多于病毒RefSeq v96。与IMG/VR相比,在所有研究中检测到更多的GVD病毒。GVD在病毒检测方面比其他数据库显著增加,突出了肠道病毒在RefSeq中的低代表性,从而证明了GVD在人类肠道微生物组数据集中基于序列的病毒识别方面的价值。

  多样化的处理方法限制了种群水平β-多样性的研究间比较。基于共享病毒种群数量的分级聚类研究显示,大多数情况下探索类似疾病状态的研究并非共享最多的病毒种群。相反,不同的研究在层次上分为四组(I-IV),许多大块宏基因组聚集在一起组成III组。来自不同研究的宏基因组不具有可比性,因为研究之间的差异是由方法学影响驱动的。当观察属水平(即vc水平)共现时,发现在研究水平上仍然存在很强的分组(A-C),但在每个组内,这些研究中的宏基因组共享许多vc。因此,在GVD研究中探索“疾病”影响的所有研究中的β多样性元分析不可能在种群水平上进行,但在类似处理的研究中,在属水平上可能是可行的。

  VLP和宏基因组之间每bp测序的病毒重叠群数量没有显着差异。不同VLP富集策略中回收的病毒重叠群数量没有显着差异。此外,发现VLP和批量宏基因组或VLP富集策略之间的重叠群大小没有显着差异。尽管令人惊讶的是,先前的海水工作显示了VLP富集方法,特别是在浓缩步骤(切向流过滤与FeCl3)会对回收的病毒类型数量产生很大影响。与在海洋样品上测试的物理和化学步骤相比,这里测试的浓度步骤更加相似,两者都是物理步骤。总体而言,发现测序深度(即测序的bps数量)是提高病毒回收率的唯一主要驱动因素,因为它与粪便样本中组装重叠群的数量密切相关。

  对GVD、土壤和海洋病毒数据集中可检测温带噬菌体数量的分析表明,肠道病毒的可检测温带噬菌体比土壤和海洋多约2.6倍和4.3,分别表明很可能从VLP富集中损失的病毒比其他系统更多。

  在健康的西方人中,肠道病毒的多样性取决于年龄。利用健康的西方个体,研究了人类生命阶段的病毒丰富度。在GVD的整个人类生命周期中,在婴儿和成人中观察到最高的总体病毒丰富度,儿童和成人之间显着增加,成人和老年人之间显着下降。噬菌体反映了整体病毒丰富度趋势,Siphoviridae科反映了整体病毒丰富度趋势最好。

  总之,肠道微生物组深刻地影响着人类的健康和疾病,它们的感染病毒可能同样重要,但由于参考数据库的限制,经常被遗漏。在这里,作者从来自16个国家的1,986个人的2,697个病毒颗粒或微生物宏基因组中建立了一个人类肠道病毒数据库(GVD),评估其有效性,以及报告了一个元分析,揭示了健康西方人的年龄依赖性模式。GVD包含33,242个独特的病毒种群(大约是物种级分类群),并将病毒RefSeq和IMG/VR的平均病毒检测率分别提高了近182倍和2.6倍。GVD分析显示了高度个性化的病毒组,揭示了技术人工制品的研究间变异性大于人群水平上的任何“疾病”效应,并记录了病毒多样性如何从人类婴儿期转变为衰老。总之,这个紧凑的基础资源、这些标准化指南和这些元分析结果提供了一个系统的工具包,以帮助最大限度地理解病毒在健康和疾病中的作用。

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