肿瘤铁死亡相关靶标预后思路及FerrDB实操
-05-18
背景
既往研究表明，工业化生活方式与肠道微生物群多样性降低和肥胖及自身免疫性疾病等慢性病发病率增加相关。研究我们祖先的肠道微生物群可能会对当今工业化世界中已经改变的人类微生物群共生体的某些方面提供见解。
重建宏基因组组装基因(MAGs)是一种新兴的方法，从鸟枪法宏基因组数据中恢复高质量的基因组和以前未描述的物种级基因组元(SGBs)。测序读数被重新组装成连续的序列，重叠群被装箱形成草图基因组。年首次从宏基因组样本中重新组装基因组的大规模行动回收了近个MAGs。年，三项研究分别从人类微生物样本中重建了约、和个MAGs包括许多以前未描述的SGBs(即未分配给任何以前发现的物种的SGBs)。
尽管重新组装方法有可能发现先前未描述的SGBs，但由于DNA高度损伤带来的挑战，这种方法尚未应用于古粪便。因此，先前的研究侧重于使用基于参考的方法描述古代微生物群的分类组成，或富集与特定物种匹配的序列，并重建该物种内的基因组。这些方法能够回收属于或与参考数据库中存在的物种密切相关的微生物，但不能发现新的物种。在本研究中，我们对来自古粪便的微生物基因组进行了大规模从头组装。
简介
年5月12日，来自美国哈佛医学院微生物学系的AleksandarD.Kostic及其团队在Nature(IF:42.)杂志上发表名为Reconstructionofancientmicrobialgenomesfromthehumangut的研究[1]。
主要结果
样本概述
我们对15份古粪便样本进行了鸟枪法宏基因组测序。简而言之，由于从头组装结果不佳、考古土壤污染证据或非人类宿主来源，我们排除了7个古粪便样本。其余8份样本来自3个地点(Boomerang避难所、干旱西部洞穴和Zape)。它们的真实性得到了广泛验证，包括它们的古代起源和人类来源。我们的结果支持古粪便是粪便样本，土壤污染最小(图1b)。最后8个样本保存完好，平均DNA片段长度较长(平均模式长度=个碱基对(bp))。我们证实，这些长的DNA片段并非来自现代DNA的污染。
我们使用MetaPhlAn2(一种基于参考的工具)分析了分类组成。与既往观察的结果一致，古粪便的分类组成与工业样本相比更接近于非工业样本的分类组成(图1)。古粪便和非工业样本的门均无明显差异。相比之下，与古粪便和非工业样本相比，工业样本中的拟杆菌属和疣状菌属较为富集(图1a)。与古粪便和非工业样本相比，工业样本中的厚壁菌属、变形菌属和螺毛菌属数量明显较少。
图1.古粪便样本的门、科和物种组成与现代非工业个体的肠道微生物群相似
基因组重建
上述基于参考的分析仅鉴定出MetaPhlAn2数据库中存在的类群，这些类群主要来自工业化样本。正如预期，古粪便样本在数据库中所占的比例很低。为了发现使用基于参考的方法无法识别的微生物物种，我们从古粪便和当代墨西哥样本中重新进行了基因组重建(图2)。使用模拟短读测序数据，我们发现，古代DNA(aDNA)损伤不会显著影响模拟装配的基因组。
我们使用GTDB-Tk对古代SGBs进行了分类注释，发现注释最多的属包括普雷沃氏菌属、乳球菌属和布拉氏菌属(图2a)，它们是典型的人类肠道微生物群属。然而，这是对SGBs多样性的低估，因为许多SGBs不能被确定地归入一个属或种。只有22个基因组被命名为种。为了可视化古老基因组在系统发育中的分布，我们构建了高损伤过滤肠道细菌基因组和代表人类微生物群的个参考基因组的系统发育树(图2b)。结果表明，古代基因组跨越了许多与人类肠道微生物群相关的门，包括厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门。普雷沃氏菌和乳球菌的系统发育树表明，先前未描述的古代基因组与参考基因组并不紧密聚集。总之，个重建的高损伤古代微生物基因组属于不同的人肠道微生物群分类群，其中包括61个新的SGBs。
图2.从古粪便中从头基因组重建恢复了个经证实的古肠道微生物基因组，其中39%为新的SGBs
甲烷短杆菌提示年代测定
接下来，我们使用来自样本UT30.3和UT43.2中筛选了两个古代史密瑟姆氏菌基因组，估计了史密瑟姆氏菌的分化时间，并对其末端进行校准。贝叶斯推断在严格时钟和最合适的人口统计学模型下表明，古代史密瑟姆氏菌基因组属于当代史密瑟姆氏菌基因组的已知多样性(图3)，并且史密瑟姆氏菌开始多元化在大约年前，最高后验密度(HPD)间隔为95%，为–12年(图3)。该时间线略晚于其姊妹种oralis甲烷杆菌的时间线(HPD=–年)。就HPD重叠而言，这两种估计是相容的，而且都发生在大约9万至19.4万年前，第一波人类移出非洲的估计时间之内或之后。此外，导致两个古代史密瑟姆基因组的谱系起源于年至年前(平均值=年前)。这些估计早于人类通过白令陆桥进入北美的公认年龄(-年前)。当潜在的aDNA损伤位点被移除时，结果没有显著变化，表明损伤对我们的MAGs没有显著影响。我们还使用原始序列散度计算验证了这些散度数据估计。总体而言，我们证明了，使用古老的基因组来校准史密瑟姆系统发育，我们可以在进化上与既往对oralis的研究相匹配。这支持了利用古代MAGs研究肠道共生体进化史的潜力。然而，是否属内的物种实际上遵循了指示的多样化时间线，需要用其他跨越不同时期的古代甲烷短杆菌基因组进行研究。
图3.一个关键人类肠道共生体的进化背景
功能基因组分析
我们的功能基因组分析(方法)显示，相对于工业和非工业样本，古粪便富含转座酶(图4a)。相对于工业样本，转座酶也在非工业样本中富集。
另一方面，与古代粪便相比，工业和非工业样品都富含抗生素抗性基因(图4a)，这与古代粪便可以追溯到抗生素出现之前的年代一致。在当前样本中，多重四环素耐药基因存在于缓症链球菌和柯林塞拉SGBs中。我们的分析表明，这些四环素耐药基因是在染色体上编码的，而不是在质粒上。此外，与古代粪便相比，工业样本中富集了多种聚糖降解基因。这些基因主要在拟杆菌属SGBs中发现，包括拟杆菌属和普雷沃菌属物种。
图4.与现代工业粪便样品相比，古代粪便具有独特的功能基因组序列
结论及展望
迄今为止，尚不清楚人类微生物群在漫长的时间跨度中进化到了何种程度。我们的分析支持，现代非工业人类肠道微生物群更接近古粪便，而工业肠道微生物群已从古代肠道微生物群分化。古粪便和非工业样本中的某些物种比工业样本中的物种更普遍，如愈伤组织乳球菌、十字丁球菌和琥珀链球菌(图1c)。此外，工业样本富含黏蛋白降解基因(图4)，这些基因主要在类杆菌和普雷沃氏菌SGBs中发现。这与工业样本中拟杆菌的丰度较高(图1a)、既往发现相一致。相比之下，古粪便和非工业样本富含降解淀粉和/或糖原的CAZymes(图4b；可能是因为复合碳水化合物的消耗量高于单糖)和可移动的遗传元素(图4a)。这与既往观察一致，即与北美个体相比，农耕的斐济岛民具有更高的流动遗传元素丰度。我们的发现支持了一个假设，即移动基因对于非工业群体的肠道定植很重要，可能是为了适应更大的环境变化，如季节性变化。
在本研究中，我们确定了DNA保存完好的古代粪便是微生物基因组的丰富来源，包括先前未描述的微生物物种，这可能阐明了人类微生物群的进化史。未来对古代粪便丰富程度的类似研究不仅将扩大我们对人类微生物组的认识，还可能促使研发出将当前肠道微生物组恢复到原始状态的方法。
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