Nature子刊 | NC发表新的可培养人类肠道细菌参考基因组的基因组图谱

2023-04-10 959CNGBdb

近日,深圳华大生命科学研究院在国际学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表题为“The genomic landscape of reference genomes of cultivated human gut bacteria”的研究论文,构建了包括3,324株人体肠道培养菌株的高质量基因组集合。该研究是继2019年发表于Nature Biotechnology的人体肠道细菌基因组集(Culturable Genome Reference, CGR)[1]后的又一代表性成果。

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深圳国家基因库为本项目提供测序支持,其产生的基因组数据已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号分别为:CNP0000126CNP0001833。菌株信息可通过国家基因库生命大数据可信计算平台(CODEPLOT)访问和获取。

构建更大规模的菌株资源库

人体是一个由人体细胞和所有共生微生物细胞构成的“超级生物体”,人体肠道定殖着复杂多样的共生微生物,包括细菌、古细菌、真菌和病毒。肠道内的细菌细胞数量可达1013个,与人体细胞总数相当[2]。如此数量庞大的肠道细菌中,我们能够分离并培养多少?

随着肠道微生物研究的深入,越来越多新的微生物序列通过宏基因组测序被发现,但能够成功获取的纯培养菌株只是其中一小部分。此外,高质量参考基因组数据的缺乏也阻碍了更高物种分辨率下的宏基因组研究。本研究团队长期致力于通过培养组学方法对人体共生微生物进行深入研究,并于2019年首次将研究成果发表于Nature Biotechnology,成为当时全球最大人体肠道细菌基因组集合(简称CGR)。

之后历时4年,研究团队在人体微生物培养领域持续耕耘,不断收集健康志愿者的粪便样本,拓展培养方法,积累更多新的菌株资源。截至目前,积累的人体肠道菌株资源已达2万余株,完成了CGR资源库的升级,构建出CGR2。本项目包含了新采集144例中国健康志愿者的粪便样本,结合已公开发表的CGR资源库进行整合分析。总共完成了4,066株代表性菌株的基因组测序和组装,最终获得3,324个高质量基因组。其中包含的基因组数据涵盖人体肠道微生物中8个门的527个物种,包括179个尚未被报道的细菌新物种。与之前的CGR集合相比,新增了3个门和189个物种;与目前已发表的肠道微生物基因组数据集相比,CGR2提供了144个特有的物种,进一步填补了培养组领域数据与资源的空白。

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绘制更为全面的肠道菌株功能图谱

本研究全面描绘了肠道细菌参与碳水化合物代谢的功能图谱,发现42个属的193个菌株具有完整的膳食纤维(包括果胶、纤维素和菊粉)代谢及短链脂肪酸的合成通路,这些膳食纤维对人体的健康有着重要的作用。各类细菌中,拟杆菌门细菌的碳水化合物代谢酶的种类和数量最丰富。双歧杆菌是母乳喂养婴儿肠道内最丰富的益生菌之一,我们培养的双歧杆菌也有完整的母乳寡糖代谢途径,这进一步支持了母乳寡糖可作为益生元在人体肠道中通过为双歧杆菌提供养料调节肠道菌群改善人体健康。

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次级代谢产物是细菌生长非必须物质,但在医疗、农业和食品等方面有广泛应用。在先前的研究中,研究者们主要在海洋或土壤微生物资源中进行次级代谢产物的挖掘,而本研究从CGR2数据集合中的2049个基因组中发现了24种类型的4132个次级代谢物合成基因簇,表明肠道微生物同样具有丰富多样的次级代谢产物合成潜力,包括了已知的瘤胃菌素A、乳酸链球菌素和二肽醛等,可作为抗菌肽、蛋白酶抑制剂等活性物质的来源。

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肠道细菌与噬菌体的相互作用

在肠道中,噬菌体与细菌相互作用,共同维持人体肠道微生态稳定。本研究从CGR2数据集合中共预测到2,820条高质量噬菌体序列,其中绝大部分未被报道,但CGR2能提供这些噬菌体明确的宿主信息。通过构建噬菌体与细菌侵染关系网络,揭示了两者间复杂的作用关系,并发现超过半数的噬菌体能侵染多个细菌物种,值得注意的是,我们发现了4个跨门侵染的噬菌体,打破人们对噬菌体宿主特异性较强的传统认知。而噬菌体可以介导基因在细菌间水平与垂直转移,从而带来抗生素抗性基因及其他毒害基因传播的现象,也得到本研究的分析结果支持。

本次研究公开了大量的人体肠道培养的活体菌株资源和高质量参考基因组数据,为后续人体微生物的体外功能的研究、功能产物的挖掘提供了大量的基础资源和数据。其中也包含了大量具有自主知识产权的益生菌,包括乳杆菌和双歧杆菌,通过对这些益生菌基因组的功能进行挖掘和评价,可为下游的益生菌的开发和产业转化提供重要的支撑。本研究工作由华大相关团队主导完成,深圳国家基因库为本项目提供测序支持,其中1282个基因组数据是在华大智造MGISEQ-T7平台完成。

深圳华大生命科学研究院精准健康研究所宏基因组研究中心肖亮研究员、邹远强副研究员和深圳华大生命科学研究院科学顾问、丹麦哥本哈根大学Karsten Kristiansen教授为本论文共同通讯作者。华南理工大学-华大生命科学研究院联合培养硕士研究生林晓倩和华大生命科学研究院生物信息研究助理胡童远为本论文共同第一作者。本研究已通过伦理和人遗审查,严格遵循相应法规和伦理准则。

参考文献:
[1]. Zou Y, Xue W, Luo G, et al. 1,520 reference genomes from cultivated human gut bacteria enable functional microbiome analyses[J]. Nature biotechnology, 2019, 37(2): 179-185.
[2]. Sender R, Fuchs S, Milo R. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body[J]. PLoS biology, 2016, 14(8): e1002533.
[3]. Lin, X., Hu, T., Chen, J. et al. The genomic landscape of reference genomes of cultivated human gut bacteria. Nat Commun 14, 1663 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37396-x
信息及图片均来源于“华大集团BGI”公众号

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