人肠道宏病毒与其宿主和环境因素的关联分析

  近期《Nature Communications》期刊上(IF=17.694)发表的“Extensive gut virome variation and its associations with host and environmental factors in a population-level cohort”研究论文中，对从4198个个体的肠道宏基因组中获得的人类肠道病毒进行分析，揭示了数千个高质量的dsDNA噬菌体基因组，同时对各种宿主和环境因素的综合关联分析，揭示了大量与病毒组结构显著相关的内在和外在因素。

期刊：Nature Communications     

影响因子：17.694          

发表时间：2022

样本类型：粪便

一、研究背景

人类肠道中存在大量的细菌病毒（噬菌体），而原生噬菌体群落（virome）通过裂解细菌细胞和促进基因水平转移，极大地影响了细菌群落 (bacteriome) 的结构和功能，但群体规模的 virome 变异目前尚未得到充分研究。肠道病毒组中最主要的是双链 DNA(dsDNA) 噬菌体，它们的数量与细菌的数量相当。人类肠道中的dsDNA 噬菌体包括crAssphage、Lak phage和Gubaphage、Flandersviridae。这些噬菌体的基因组为深入了解其在人类肠道中的功能潜力、独特的生物学和生态学的见解。

二、实验设计

收集了4198例4D项目的日本个体（66.4±12.6岁）粪便样本进行宏基因组测序，并详尽地收集内在和外在因素（例如年龄、性别、体重指数、生活方式、饮食习惯、疾病和药物等），利用新开发的流程建立高质量的噬菌体目录并分析。

三、实验结果

1、日本 4D 微生物组队列中噬菌体基因组目录的构建

开发的流程通过检测噬菌体基因组特异性特征来识别候选噬菌体基因组，和其他病毒检测工具之间的比较显示，真阳性率与其他流程相当或略低，而假阳性率 (0.4%) 远低于其他。结果表明，该流程可能适合构建非噬菌体序列污染最小的高质量噬菌体目录。

在4198例日本个体中确定了1125个完整和3584个草图（> 70%完整性）噬菌体基因组，基因组中完整/高质量占比59.9%。为了评估该目录覆盖人类肠道中的 dsDNA 噬菌体的程度，对另外24份粪便样本进行了病毒样颗粒 (VLP) 测序，结果与VIBRANT软件构建的另一个噬菌体基因组目录相当。

利用 CRISPR 间隔区预测宿主发现，最常见的是厚壁菌门，其次是拟杆菌门和放线菌门；在属水平上，常见的宿主是拟杆菌、瘤胃球菌、Blautia和双歧杆菌（图 1）。大多数噬菌体(71.1%)仅感染一个属（即特有噬菌体），而其他噬菌体则能感染多个属（通用噬菌体）。拟杆菌门（如拟杆菌、普雷沃菌和副拟杆菌）的噬菌体基因组相对较大，与宿主基因组大小的变异一致。根据共享蛋白的比例 (> 20%) 对 vOTUs 进行了聚类，找到了共223个病毒家族(VCs)或亚家族簇。

图1  4198个肠道宏基因组构建的噬菌体基因组

为了探索人类肠道中主要的噬菌体分支，通过量化4198个个体的宏基因组vOTU/VC 的丰度，显示两种特征之间高度相关（vOTU和 VC 水平）。该队列中丰度最高的 VC 是含 crAssphage 的VC(VC_19)，其中包括 crAssphage 和 crAss-类噬菌体。还鉴定出几种VC，其丰度与VC_19在同一数量级 (图2a)。其中7个丰富的VC在 RefSeq 中与已知噬菌体没有表现出任何相似性，这表明它们是人类肠道中丰富且普遍存在的噬菌体新分支。对噬菌体间基因组相似性的比较发现，同一 VC 中的噬菌体大部分聚集在一起，与其他 VC 中的噬菌体明显分离。为了研究本研究中新发现的 VC 是否以病毒颗粒的形式存在于人类肠道中，利用VLP 对其进行分析，基于大的末端酶蛋白构建了该队列中10个最丰富的VC和 RefSeq数据库中的噬菌体的系统发育树，并命名了7种新型VC。

图2  鉴定新的病毒簇

2、肠道病毒和细菌之间的紧密相互作用

比较了从4198个个体中收集的病毒和细菌特征，发现它们之间的α和β多样性呈显著正相关（图3），人类肠道中的病毒和细菌结构密切相关，病毒的β多样性显著高于细菌，表明病毒的个体特异性高于细菌。在4198个个体中检测了每个噬菌体的相对丰度与其在属水平上预测的宿主之间的一对一相关性，说明了噬菌体和宿主细菌在人类肠道中起到协同共生的作用，另外，特有噬菌体与其宿主的相关性显著高于通用噬菌体。为了探索这些抗病毒基因（如 CRISPR-Cas等）与群落中噬菌体之间的相关性，对这些基因进行了定量，并评估了其与病毒学结构的相关性。结果表明，在三种原核生物防御系统中都发现，防御基因丰度高的病毒 Shannon 指数显著高于防御基因丰度低的样本。

图3  肠道病毒和细菌之间的密切相互作用

3、与病毒学相关的宿主和环境因素的综合鉴定

研究肠道病毒结构与宿主生理和环境因素相关性得知，年龄与病毒多样性呈显著正相关，与细菌多样性呈正相关。其中，年龄与176个 vOTU 显著相关，与梭状芽孢杆菌、瘤胃球菌和粪脂杆菌噬菌体，以及宿主未知噬菌体呈正相关，但是年龄与VC_28呈强负相关关系。性别显示与68个 vOTU 和24个 VC 显著相关（图4d）。

图4  在人类肠道病毒体中发生了与年龄和性别相关的变化

对232个宿主/环境因子与病毒特征进行了关联分析，与肠道病毒学变异相关性最强因子是临床因素，如药物和疾病。在232个因素中有97个与病毒变异显著相关，其中年龄与病毒的相关性最强（图5）。crAssphage (vOTU_974) 的 vOTU 与因子均无显著相关性，表明仍存在未知的宿主、环境或生态因素以解释这种最丰富噬菌体变异。

在显著相关的97个因素中，大多数与病毒和细菌均表现出很强的相关性（图5d），其中质子泵抑制剂对肠道细菌的影响最强。对细菌有较大影响的抗菌药物，如头孢菌素、大环内酯类和磺胺嘧啶，对病毒也有中等程度的影响。因此，病毒和细菌之间的生态和生物学差异可能导致与一些宿主和环境因子的关联强度的差异。

图5  宿主和环境因素与肠道病毒显著相关

四、研究结论

研究对4198个个体病毒特征进行了大规模分析，结果显示了广泛的病毒变异及其与细菌以及许多宿主和环境因素的相关性。这些结果为更好地理解人类肠道中的病毒和微生物生态学提供了基础，有望促进肠道微生物群落应用于医学和工业。

参考文献

Extensive gut virome variation and its associations with host and environmental factors in a population-level cohort. Nature Communications ,2022.