【Microbiome】单一扩增基因组目录揭示了人类微生物组中移动基因组和耐药基因组的动态变化
文摘
2024-10-11 08:03
四川
近日，早稲田大学学者在《Microbiome》发表论文A single amplified genome catalog reveals the dynamics of mobilome and resistome in the human microbiome。随着基因组组装基因组（MAGs）数量的增加，对人类微生物组内的功能特征和分类学归属的理解得到了推进。然而，作为种群共识基因组的MAGs，常常聚合了物种和菌株之间的异质性，从而混淆了微生物宿主和移动遗传元素（MGEs）之间的确切关系。相比之下，通过单细胞基因组测序得到的单个扩增基因组（SAGs）能够捕获包括MGEs在内的个体基因组内容。
人类和其相关的微生物组之间的密切联系因其对人类健康、疾病发展和治疗反应的重要影响而受到了大量研究关注。宏基因组学的发展为我们提供了前所未有的洞察力，尤其是通过解锁未培养微生物的数据。像统一人类胃肠基因组目录这样的基因组目录在整理微生物群落中的全面微生物基因组方面显得非常重要。尽管许多宏基因组组装基因组（MAGs）在这些目录中注册，但基因组序列中可能缺失一些生物学信息。宏基因组学在组装和聚合相似序列的过程中，很难生成将关于高度保守序列（如rRNA基因）和移动遗传元素（MGEs）（包括质粒和噬菌体）的信息联系起来的MAGs。例如，只有很少一部分人类肠道MAGs能够产生16S rRNA基因。此外，MAGs中MGEs的存在率很低，质粒中完全缺乏毒力基因和抗生素抗性基因（ARGs）。宏基因组学面临的另一个挑战是区分序列读取是来自完整微生物还是样本中的自由片段DNA。由于这些限制，宏基因组学不太适合评估微生物在不同环境间的转移和存活。单细胞基因组测序已成为克服这些挑战的潜在途径，通过构建单个扩增基因组（SAGs），从包括高度保守基因和MGEs的单个微生物菌株中获取。虽然这种方法理论上可以揭示细胞间的变异，但其实际应用取决于支持技术的进步。尽管高通量单细胞基因组测序技术取得了进展，但由于产生的SAGs完整性较低，通常需要将多个SAGs进行硅基集成以构建高质量的基因组。这个过程可能会掩盖菌株异质性信息，如SAGs与MGE或ARG之间的关系。该团队开发了一种高质量、高通量的单细胞基因组测序技术，名为SAG-gel，它能够同时产生数百或数千个SAGs。它能够在不将SAGs合并生成共识基因组的情况下获得中高质量以上的SAGs。这一优势归功于高效的全基因组扩增和深度单细胞测序。到目前为止，我们已经将我们的方法应用于各种微生物组，不仅包括人类相关样本，还包括环境样本，使我们能够得出新的推论，如包括MGEs的菌株异质性。1 研究者们生成了一个名为bbsag20的数据集，它包含了来自日本参与者的口腔和粪便样本的17,202个高质量单个扩增基因组（SAGs）。这些样本的测序结果与宏基因组组装基因组（MAGs）进行了比较。2与MAGs相比，SAGs的基因组完整性略低，但片段数更多，并且tRNA基因更少。
SAGs在回收rRNA基因方面表现出显著差异，特别是粪便SAGs含有更多的16S rRNA基因。3口腔SAGs中发现了25至77种（平均45种）物种，粪便SAGs中发现了3至54种（平均30种）物种，而粪便MAGs中只发现了2至38种（平均17种）物种。4 SAGs揭示了特定谱系中相关物种的深层基因组多样性，而MAGs涵盖了更广泛的谱系。
在粪便SAGs中，有96.4%的目标是Firmicutes（现更名为Bacillota），这在MAGs中几乎缺失。5 细胞分辨率的SAGs揭示了口腔到肠道的细菌转移：研究发现口腔微生物组中的某些细菌种类可以在肠道中检测到，表明口腔细菌有可能转移到肠道。6 研究者们探讨了质粒和噬菌体等移动遗传元素（MGEs）在不同细菌宿主间的转移，以及它们作为抗生素抗性基因（ARGs）的载体。SAGs能够直接确定宿主和MGEs的关系，提供了比传统宏基因组学方法更全面的基因组参考。7 在口腔和粪便SAGs中，研究者们识别了大量的ARGs，并且发现它们在MGEs中的分布与MAGs有显著差异。8 研究结果表明，不同的抗性基因可能通过不同的转移模式在细菌间传播。图 1. 人类口腔和粪便细菌的单扩增基因组目录 bbsag20 概述.图2.人类口腔和粪便细菌的 bbsag20 分类学。图3 以单细胞分辨率详细检查人类相关微生物组中的移动组和抵抗组。研究强调了单细胞基因组学在微生物组研究中的革命性能力。这为微生物群落、移动遗传元素（MGEs）和抗生素抗性模式提供了新的视角，并提供了对微生物相互作用的新理解。bbsag20数据集展示了这种方法的有效性。该数据突出了单细胞基因组学在监测人群中、动物和环境中微生物组MGEs和抗生素抗性基因（ARGs）动态的潜力。Masahito Hosokaw，細川正人教授是早稲田大学一位杰出的研究人员，专注于微生物组学和单细胞基因组学领域的研究。他的工作涉及从群落到单细胞水平的微生物动态分析，探究河水病毒的多样性，以及发现针对耐药性细菌的新型内溶素。通过在《ISME Journal》、《ACS Infectious Diseases》和《iScience》等知名学术期刊上发表的研究成果，細川教授不仅增进了对微生物世界的理解，也为开发新的抗菌策略提供了重要线索。他的研究贡献得到了学术界的高度认可，并且对推动相关领域的科学进步具有重要影响。
