《Cell Host & Microbe解读!新发现!每个人的肠道中或许都拥有特殊的“病毒组”!》

  • 来源专题:生物安全知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: hujm
  • 发布时间:2020-09-23
  • 近日,一项刊登在国际杂志Cell Host & Microbe上的题为“The Gut Virome Database Reveals Age-Dependent Patterns of Virome Diversity in the Human Gut”的研究报告中,来自俄亥俄州立大学等机构的科学家们通过研究发现,每个人的肠道或许都存在一种特殊的病毒指纹图谱。

    研究人员对西方健康人群肠道中的病毒分析后发现,儿童和老年人群之间病毒类型多样性的低谷和高峰反映了细菌在其整个生命周期中的变化情况,文章中,研究人员利用其开发的肠道病毒组数据库识别出了存在于人类肠道中的33,242种独特的病毒群,这或许并不值得惊慌,因为大多数病毒并不会导致疾病发生。

    实际上,科学家们对病毒了解地越多,他们就越会把病毒认为是机体生态系统中的一部分,这也就表明,病毒或许能潜在地代表一类帮助抵御致病菌的药物,尤其是那些已经产生耐药性的细菌,而更好地理解肠道中的病毒也能帮助研究人员理解那些遭受重症COVID-19患者所经历的胃肠道疾病症状。

    研究人员计划定期更新开放的数据库,Olivier Zablocki教授表示,如今我们开始研究分析人类机体中的病毒组到底是什么样子;如果我们能够描述维持机体健康的病毒的特征,或许就能利用这些信息来开发治疗多种病毒感染的疗法。如今讨论肠道微生物组中的有益和有害细菌似乎已经司空见惯,但肠道中的病毒却很难被检测到,因为其基因组并不像细菌基因组那样含有多种共同的标记基因序列,在病毒巨大的序列空间中仍然有很多东西值得进一步探索,因此其也被科学家们称之为肠道中的“暗物质”。

    这项研究中,研究人员从过去10年里发表的32项研究入手,这些研究对来自16个国家中共计1986名健康和患病个体机体的肠道病毒进行了研究,研究人员利用新技术来检测病毒的基因组,随后识别出了超过3.3万个不同的病毒群体。研究者Ann Gregory指出,如今我们能对已知的病毒利用机器学习手段来识别未知的病毒,我们非常感兴趣肠道中到底有多少类型的病毒?本文研究结果证实了此前小规模的研究,即虽然少数的病毒群体在一小部分人群中共有,但并没有一种核心的肠道病毒是所有人群所共有的。不过研究人员发现了一些趋势,在健康西方人群中,年龄或许会影响肠道中病毒的多样性,从童年到成年过程中,肠道病毒的多样性就会发生增加,而在65岁之后就会逐渐减少;这种模式符合已知的肠道菌群多样性的起伏,但有一个例外,那就是尚未发育成熟的婴儿肠道免疫系统中充满了一些病毒类型,但很少有细菌种类。

    研究者表示,生活在非西方国家的人群要比西方国家人群机体中肠道病毒多样性要高,其它研究人员则发现,搬到美国或其它西方国家的非西方人群或许会失去这种微生物多样性,这就表明,饮食和环境也会驱动病毒组的差异,比如,研究人员在肠道中发现了某些完整的植物病毒,而其进入机体肠道唯一的途径就是饮食,研究者在所分析的32项研究中也观察到了健康人群和患者机体中病毒多样性的差异。研究者Gregory说道,生态学的一般法则就是,更高的多样性会导致更健康生态系统的出现,我们都知道,病毒和微生物的更多的多样性通常与更健康的个体息息相关,然而我们看到,更健康的个体往往拥有更高的病毒多样性,而这也表明,病毒可能正在潜在地做一些积极的事情,并且会给机体带来一定的有益作用。

    几乎99.7%的病毒都是噬菌体,其是能杀灭细菌的病毒,在没有宿主的情况下病毒不会发挥任何功能,其会在环境中漂流,直至感染另外一种生物体,研究最多的病毒会杀灭宿主细胞,而本文中研究者则发现了能与宿主微生物共存的噬菌体,其甚至能产生帮助宿主细胞竞争和生存的基因。随后研究人员将目光转向噬菌体疗法,即利用噬菌体来杀灭耐药性细菌。噬菌体是生活在机体广泛的生物网络中的一部分,当广谱抗生素被用于对抗感染时,其也会损伤机体天然的微生物组,如今研究人员正在建立一种工具包来扩展他们利用噬菌体来将受干扰的微生物组调整回健康状态。

    重要的是,诸如此类疗法不仅会影响宿主机体的微生物组,还会影响其它动物、植物和工程化系统,从而帮其对抗病原体和超级细菌等,关于病毒在机体肠道中的具体功能,后期科学家们还需要进行更为深入的研究才能知晓。研究人员看到的是疾病和群体结构,到底是群体结构诱发了疾病还是疾病导致了群体结构的出现,这都需要后期科学家们进行深入的研究才能够确定。

  • 原文来源:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S193131282030456X;https://phys.org/news/2020-08-human-gut-viral-fingerprint.html;https://news.bioon.com/article/6778724.html
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2023-06-01
    • 百岁老人的肠道里,藏着太多关于长寿的秘密。 近日,由麻省理工学院和哈佛大学博德研究所Damian R. Plichta、Simon Rasmussen和Ramnik J. Xavier领衔的研究团队,在著名期刊《自然·微生物学》又发表一项重要研究成果[1]。 他们研究了百岁老人、老年人(60-100岁)、年轻人(18-60岁)和婴幼儿(1岁以内)的肠道病毒组数据,发现与老年人和年轻人相比,百岁老人的肠道病毒组更加多样化。而且,百岁老人的肠道病毒的生活方式似乎在往儿童期转变,往高裂解活性方向发展。 通过分析百岁老人肠道病毒组和微生物组,他们还发现百岁老人微生物组将蛋氨酸转化为同型半胱氨酸、将硫酸盐和牛磺酸转化为硫化物的能力增强,且病毒携带的基因功不可没。他们认为,在病毒的参与下,百岁老人肠道代谢物的变化,可能会增强肠粘膜的完整性和宿主对病原体的抵抗。 据了解,这也是科学家首次探索不同生命阶段肠道微生物组的病毒成分。 传染病和微生物组计划(IDMP)是博德研究所探索微生物与人体健康之间关系的重要项目,Ramnik J. Xavier博士是IDMP的发起人之一。 两年前,他们在顶级期刊《自然》杂志发表重要研究成果,宣布在百岁老人的肠道中找到了一群特殊的肠道微生物,他们可以产生独特的次级胆汁酸,抑制革兰氏阳性菌的生长,帮助百岁老人预防感染[2]。他们认为,这可能是百岁老人保持健康的秘密之一。 这一次,Xavier等领衔的团队,再次踏足人迹罕至的研究领域,探索百岁老人的肠道病毒组。 为此,他们先基于已发表的百岁老人、老年人和年轻人的粪便宏基因组数据,开展了深度的数据挖掘工作。他们一共确定了4422个病毒操作分类单位(vOTUs,是一种对病毒序列进行分类的方法,不同于种或属),其中1746个vOTUs以前未被描述过。有了这个数据基础,就可以开始研究了。 在比较之后,Xavier团队发现,49%的vOTUs在每个年龄组的至少一个样本中被检测到,而12%的vOTUs只在百岁老人的样本中存在。此外,α-多样性分析显示,与年轻人和老年人相比,百岁老人的病毒群更加多样和丰富。 由于百岁老人肠道病毒组多样性增加,这也导致在所有年龄组中丰度超过10%的核心病毒,在百岁老人肠道病毒组中占比下降。基于这些研究数据,Xavier和他的同事认为,病毒多样性的整体增加和核心病毒的相对耗竭,是极端长寿老人肠道病毒群的动态特征。 值得注意的是,未被描述的vOTUs在百岁老人肠道病毒组中占比更高,达到了30%;而老年人和年轻人的病毒组中未被描述的vOTUs丰度分别为20%和12%。此外,在百岁老人肠道中富集的483个vOTUs中,一半以上(257/483)是未描述的vOTUs。不难看出,百岁老人的肠道病毒组中有大量以前未描述的病毒,并表现病毒多样性增加。 接下来,Xavier团队基于病毒-宿主标签技术,研究了肠道细菌和病毒的关系。 他们发现几个因Alistipes、Parabacteroides、Clostridium、Eggerthella、Ruminococcus和Akkermansia这些宿主而大量富集的病毒组。例如,与老年人和年轻人相比,宿主为Clostridium. scindens的病毒在百岁老人的病毒组中更加普遍和丰富;而宿主为Bacteroides和Faecalibacterium的病毒显著减少,这也与之前的研究发现这两种肠菌减少的研究相吻合[2]。 文章写到这里需要简单介绍下噬菌体(细菌病毒)与宿主细菌之间的关系。一提到噬菌体,我们就容易想到吸附、注入……到最后裂解细菌释放病毒粒子,实际上这是烈性噬菌体的生命周期。其实还有些温和型噬菌体(溶原性噬菌体),它们感染宿主细菌后整合到细菌的基因组中,随着细菌的增殖而增殖,一般不会裂解宿主。上文提到的就是这些温和噬菌体。 之前有研究发现,人体病毒组在婴儿期会从较高的裂解性往溶原性转变,最终稳定在较高的溶原性和较低的病毒细菌比率(VBR)的状态,一直持续到成年[3,4]。然而Xavier团队发现,与年轻人和老年人相比,百岁老人的肠道病毒组具有较高的病毒细菌比率,他们认为温和的病毒在百岁老人体内的生活方式开始往裂解性方向发展。 基于芬兰一个包含562名婴幼儿数据队列(EDIA)的基础上,Xavier团队系统描述了全生命周期中肠道病毒细菌比率的变化。 具体来说,婴儿的病毒细菌比率在3-4个月大时达到高峰,然后开始持续下降,温和病毒占比逐渐扩大,在整个成年期几乎都处于溶原性状态;但是,到100岁之后,肠道病毒又开始往裂解性方向发展。百岁老人这种回归婴幼儿时期的变化究竟意味着什么,还需要更多的研究。 不过,我注意到,在病毒细菌比率较高的细菌群体中,有Alistipes shahii的身影,这个菌与心血管疾病的元凶氧化三甲胺(TMAO)密切相关[5],以及与炎症有关[6,7]。或者正是这种裂解作用,降低了有害菌的丰度,给百岁老人提供了一定的保护。 在研究的最后,Xavier团队研究病毒携带的基因和对应细菌的基因组数据,发现百岁老人的病毒组中,有一种病毒的水平比年轻人高,它携带能将蛋氨酸转化同型半胱氨酸的酶(例如MetK)的编码基因。在结合病毒宿主细菌的基因组数据,他们发现百岁老人的病毒组实际上是在帮助肠道细菌介导的硫代谢,尤其是蛋氨酸转化为同型半胱氨酸。或者说,整合到细菌基因组中的病毒,填补了细菌硫代谢的关键一环。 此外,百岁老人的整个微生物组将硫酸盐和牛磺酸转化为硫化物的能力也增强了。 基于以上结果,Xavier和他的同事推测,可能就是微生物组调控的硫代谢,促进了百岁老人的健康。实际上,之前也有研究发现,当牛磺酸被微生物类群转化为硫化氢时,硫化氢会抑制需氧病原物的定植和感染[8]。这在一定程度上也支持了本研究的发现。 不过,Xavier团队的新发现只是病毒组的冰山一角,因为目前约75%的病毒蛋白组仍没有功能注释,也就是说,绝大部分病毒蛋白功能仍未知,病毒与宿主细菌的互作,以及对人体健康的影响,还有太多研究需要做。 参考文献: [1].Johansen J, Atarashi K, Arai Y, et al. Centenarians have a diverse gut virome with the potential to modulate metabolism and promote healthy lifespan. Nat Microbiol. 2023. doi:10.1038/s41564-023-01370-6 [2].Sato Y, Atarashi K, Plichta DR, et al. Novel bile acid biosynthetic pathways are enriched in the microbiome of centenarians. Nature. 2021;599(7885):458-464. doi:10.1038/s41586-021-03832-5 [3].Liang G, Zhao C, Zhang H, et al. The stepwise assembly of the neonatal virome is modulated by breastfeeding. Nature. 2020;581(7809):470-474. doi:10.1038/s41586-020-2192-1 [4].Shamash M, Maurice CF. Phages in the infant gut: a framework for virome development during early life. ISME J. 2022;16(2):323-330. doi:10.1038/s41396-021-01090-x [5].Li J, Li Y, Ivey KL, et al. Interplay between diet and gut microbiome, and circulating concentrations of trimethylamine N-oxide: findings from a longitudinal cohort of US men. Gut. 2022;71(4):724-733. doi:10.1136/gutjnl-2020-322473 [6].Liu Y, Wang Y, Ni Y, et al. Gut Microbiome Fermentation Determines the Efficacy of Exercise for Diabetes Prevention. Cell Metab. 2020;31(1):77-91.e5. doi:10.1016/j.cmet.2019.11.001 [7].Andoh A, Nishida A, Takahashi K, et al. Comparison of the gut microbial community between obese and lean peoples using 16S gene sequencing in a Japanese population. J Clin Biochem Nutr. 2016;59(1):65-70. doi:10.3164/jcbn.15-152 [8].Stacy A, Andrade-Oliveira V, McCulloch JA, et al. Infection trains the host for microbiota-enhanced resistance to pathogens. Cell. 2021;184(3):615-627.e17. doi:10.1016/j.cell.2020.12.011
  • 《Cell在人类肠道中发现了超过14万种病毒》

    • 来源专题:中国科学院病毒学领域知识资源中心
    • 编译者:malili
    • 发布时间:2021-03-01
    • Sanger研究所和EMBL的欧洲生物信息学研究所(EMBL-EBI)的研究人员已经鉴定出超过14万种生活在人类肠道中的病毒,其中一半以上是以前从未见过的。研究人员发现的这些病毒的数量和多样性令人惊讶,这些数据为了解生活在肠道中的病毒如何影响人类健康开辟了新的研究途径。 这一研究发现公布在Cell杂志上。 人类肠道是一个复杂的生物多样性环境。除了细菌外,数十万种被称为噬菌体的病毒也生活在那里,它们可以感染细菌。 众所周知,肠道微生物组的失衡会导致疾病和复杂的疾病,如炎症性肠病、过敏和肥胖。但我们对感染肠道细菌的噬菌体在人类健康和疾病中的作用知之甚少。 在最新研究中,研究人员使用“宏基因组学”的DNA测序方法,对28060个公共人体肠道亚基因组和2898个从人体肠道培养的细菌分离物基因组中发现的病毒物种的多样性进行了探索和编目。 研究分析确定了存在于人类肠道的14万种病毒,其中一半以上以前从未见过。 EMBL-EBI和Sanger研究所的博士后Alexandre Almeida博士说:“重要的是,并非所有病毒都是有害的,而是肠道生态系统的一个组成部分。首先,我们发现的大多数病毒都是以DNA作为其遗传物质,这与大多数人所知道的病原体不同,比如SARS-CoV-2或寨卡病毒,它们是RNA病毒。其次,这些样本主要来自没有任何特定疾病的健康人。看到有许多未知物种生活在我们的肠道里,并试图解开它们与人类健康之间的联系,这是一件令人着迷的事情。” 在发现的数以万计的病毒中,有一个后期高度流行的分支:一组具有共同祖先的病毒,被鉴定出来,作者称之为Gubaphage。这是继2014年发现的crAssphage之后,人类肠道中第二流行的病毒分支。 这两种病毒似乎都感染相似类型的人类肠道细菌,但是,如果没有进一步的研究,还很难知道新发现的Gubaphage的确切功能。 这项研究的第一作者Luis F.Camarillo Guerrero博士说:“我们工作的一个重要方面是确保重建的病毒基因组具有高质量。严格的质量控制加上机器学习方法使我们能够减轻污染,获得高度完整的病毒基因组。高质量的病毒基因组为更好地了解病毒在我们肠道微生物群中所起的作用铺平了道路,包括发现新的治疗方法,如噬菌体来源的抗菌剂等。” 这一研究结果也构成了肠道噬菌体数据库(GPD)的基础,这是一个包含142,809个非冗余噬菌体基因组数据集,这将成为研究噬菌体及其在调节肠道细菌和我们自身健康方面所起作用的宝贵资源。 另外一位作者Trevor Lawley博士说:“噬菌体研究目前正在经历一次复兴。这一高质量、大规模的人类肠道病毒目录恰逢其时,可作为未来病毒组研究中指导生态和进化分析的蓝图。” 原文标题: Luis F. Camarillo-Guerrero, Alexandre Almeida, Guillermo Rangel-Pineros, Robert D. Finn, Trevor D. Lawley. Massive expansion of human gut bacteriophage diversity. Cell, 2021; 184 (4): 1098 DOI: 10.1016/j.cell.2021.01.029