《Cell Host & Microbe综述:人类肠道病毒基因组的进展与挑战》

  • 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:2022-10-12
  • 近十年,多种非脊髓灰质炎肠道病毒在世界范围内爆发流行,加之肠道病毒变异重组快、传播能力强,已经成为全球公共卫生安全领域非常棘手的难题。


    肠道病毒(Enterovirus)主要有脊髓灰质炎病毒、埃可病毒、柯萨奇病毒、鼻病毒及新型肠道病毒,可引发发热、手足口病、新生儿败血症、脑膜炎、心肌炎、急性出血性结膜炎和呼吸系统疾病等多种临床症状,严重患者甚至导致终身残疾乃至致死。近十年,多种非脊髓灰质炎肠道病毒在世界范围内爆发流行,加之肠道病毒变异重组快、传播能力强,已经成为全球公共卫生安全领域非常棘手的难题。

    肠道病毒颗粒为正二十面体立体对称的无包膜球形结构,其基因组为单股正链RNA。肠道病毒的基因组由单一开放阅读框(open reading frame, ORF)及两侧5’和3’非编码区(UTR)组成。肠道病毒RNA仅有的开放阅读框负责编码病毒全长多聚蛋白,后经过病毒蛋白酶2A、3C、3D加工处理产生病毒的4个结构蛋白(VP1、VP2、VP3、VP4)和7个非结构蛋白(2A、2B、2C、3A、3B、3C、3D)。

    人类肠道病毒群,通常被称为肠道微生物群的“暗物质”,仍然没有得到充分的研究。了解肠道病毒组成及变异有助于疾病治疗。近日,深圳华大生命科学研究院李俊桦、肖敏凤及团队在Cell Host and Microbe发表最新综述“Advances and challenges in cataloging the human gut virome”,分析4个肠道病毒组数据库(GVD、CHVD、MGV和GPD),发现鉴定出的噬菌体数量随着样本量增加而增加,表明目前数据库中肠道病毒多样性还未达到饱和。

    在本篇综述中,研究人员基于发表的4个肠道病毒组数据库,采用对齐依赖法分配宿主,间隔数据库大小及对齐参数会影响宿主预测性能,提出了“最佳实践”的病毒种群分类方法。

    肠道病毒作为在人类广泛流行的病毒之一,不同家族不同血清型在不同国家地区存在差异。一种病毒在某地大规模流行,接种疫苗后会导致该血清型被控制,但会出现另外一种或几种血清型。比如在EV71疫苗出现后,我国EV71感染人数减少,但CVA10、CVA6、埃可病毒等增加。

  • 原文来源:https://news.bioon.com/article/cef7e419334d.html
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  • 《Nature子刊:深度挖掘人类肠道宏基因组的古菌病毒》

    • 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:2023-01-03
    • 人类微生物组的组成和功能与宿主的健康密切相关。除了细菌外,肠道微生物群中的非细菌成员(古菌、真菌和病毒)也在微生物群落的动态演替以及人类的生理、免疫、疾病等方面发挥着重要作用。   古菌是人体的共生微生物之一,它们曾在肠道,口腔和皮肤等部位被检测到,与人类疾病密切相关。与细菌相比,古菌在人体内的丰度相对较低,而且大多不可培养,因此与人类相关的古菌经常被忽视。病毒控制着微生物群落的组成和代谢,侵染古菌的病毒在基因组序列和病毒粒子结构方面具有很高的多样性。迄今为止,只有少数研究报道人类肠道内存在古菌病毒,因此,与人类相关的古菌病毒仍然神秘。随着下一代测序技术的发展以及海量数据的产生,基于宏基因组学的方法有助于我们对人类的古菌组和古菌病毒组进行广泛的研究。   2022年12月29日,中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所马迎飞团队在Nature Communications 期刊发表了题为:Metagenomic analysis reveals unexplored diversity of archaeal virome in the human gut 的研究论文。   该研究首次对来自人类肠道宏基因组的古菌病毒进行了深入挖掘及全面分析,揭示了人类肠道中古菌病毒组的多样性,为人类肠道古菌病毒组的研究提供了前所未有的一瞥。 人类肠道古菌病毒组的多样性   研究表明约有90%古菌基因组包含CRISPR结构, 因此CRISPR spacer-protospacer的匹配分析适用于古菌病毒序列的识别。为了对人类肠道中的古菌病毒进行全面搜索,团队首先构建了人类肠道相关古菌spacer序列数据库(HGASDB, Human Gut Associated Archaeal Spacer Database),并基于HGASDB和古菌病毒的特征基因构建了一套肠道古菌病毒的鉴定方法,从收集的2271个肠道宏基因组样品中及6个公开的病毒数据库中共鉴定出了1279种古菌病毒,构成人类肠道古菌病毒组数据库(HGAVD)(图1a)。随后,团队对鉴定出的病毒代表序列进行质量评估,大多数 (67%)病毒contigs的质量无法得到评估。与此同时,团队基于对病毒序列的网络分析以及病毒蛋白序列的注释信息,对HGAVD中的病毒序列进行了分类学的分析,其中大部分序列(68.4%)无法被分类到任何已知的病毒类别,这些分析表明人类肠道中依然存在大量未知的古菌病毒。此外,团队还将HGAVD中的病毒与公共的肠道病毒数据库进行了比较(图1d),发现来自HGAVD的大多数病毒(n=1097;86%)均无法与公共数据库中的病毒聚类到一起,这表明HGAVD对肠道古菌病毒组具有良好的代表作用。综上所述,HGAVD极大地扩展了人类肠道中古菌病毒多样性。 古菌病毒广泛分布于人类肠道中 为了了解肠道古菌病毒在全球人群中的分布情况,团队对1279条古菌病毒contigs在人类肠道样品中的丰度情况进行了估计,主坐标分析(PCoA)和Anosim分析的结果显示:肠道古菌病毒群落的组成在不同性别(ANOSIM,r=0.004,p=0.306)和不同BMI指数(ANOSIM,r=0.006,p=0.201)的人群中并无显著性差异。然而,当以国家作为界限分析时,我们观察到这些古菌病毒在各地表现出不同的多样性(图2a)。 团队进一步调查了这些古菌病毒在所有肠道样品中的检出率,共有7种古菌病毒在人群中的检出率10%,虽然这些病毒被归类到了7个不同的病毒簇(VCs)中,但它们的宿主均为Methanobrevibacter_A smithii(M. smithii)。就地理分布而言,这些古菌病毒在非洲人群中的检出率较低,但在亚洲、欧洲和美洲人群中则具有相对较高检出率 (图2b)。在人类肠道中检出率高于1%的古菌病毒共有712种,病毒序列IMG丨UGV-GENOME-0271153在人群中具有最高检出率(72.2%),该序列长度为40.51kb,被评估为中等质量的基因组,侵染M. smithii古菌。该病毒基因组编码46个基因,其中8个基因被预测为有尾病毒的功能基因(图2c)。此外,团队从人类肠道样品中共鉴定出13种smacoviruses,它们的长度分布在2.0-2.5kbp之间。这些病毒与古菌基因组上7个不同spacer序列相匹配,其宿主为Methanomassiliicoccus intestinalis或Methanomassiliicoccus_A intestinalis古菌。与亚洲和美洲人群相比,smacovirus在非洲和欧洲人群中具有更高检出率(图2d)。 M. smithii古菌的病毒在人类肠道古菌组中占主导地位 病毒能够以多种方式影响生态系统及微生物进化,例如部分噬菌体能够通过裂解宿主细胞改变微生物的群落结构和生态功能;一些噬菌体能够劫持其宿主的代谢机制,改变宿主细胞代谢产物浓度;噬菌体也可以作为宿主之间水平基因转移的载体,因此,对于病毒宿主的预测以及病毒与宿主相互作用的研究也是理解病毒的关键步骤。为此,我们通过CRISPR spacer序列建立古菌与其病毒序列间的匹配关系,推断出每种古菌病毒的可能宿主。不出所料,大多数(n=1217,95.2%)古菌病毒的宿主都是甲烷短杆菌(Methanobrevibacteria_A),它也是古菌中的优势属(图3a)。然后,我们通过统计每个古菌属对应的VC数量来衡量病毒的多样性,其中,47个VCs只侵染M. smithii古菌,17个VCs只侵染M. smithii_A古菌,但有13个VCs与这两种古菌均有关联,反映了古菌病毒能够跨种侵染宿主的特性。为了对古菌的跨宿主侵染情况进行更加详细的研究,团队构建了宿主与病毒关系网络(图3c),发现大约三分之一的肠道古菌病毒都具有广泛的宿主范围,并不局限于单一物种,这些分析为人类肠道微生物群中古菌病毒介导的基因流动网络提供了全面参考。 此外,侵染M. smithii的病毒是人类肠道古菌病毒的一个主要分支,为了进一步探索有尾古菌病毒的多样性,团队以末端酶大亚基(Terl,Large Subunit Terminase)作为标记构建M. smithii古菌病毒的系统发育树,以此来估计这些病毒的多样性(图3d)。以上基于Terl蛋白的系统发育分析扩展了M. smithii古菌病毒的多样性,并定义了新的谱系。 古菌病毒基因组编码广泛的蛋白功能 虽然人类肠道中古菌的功能蛋白已被广泛研究,但是对于肠道内古菌病毒蛋白的理解却十分有限。为此,团队从1279条古菌病毒代表序列上共预测出了97208个编码蛋白的基因,分别仅有 10.8%和 17.4% 的基因能够与pVOG数据库及PHROG数据库中的基因相匹配,表明人们目前对人类肠道古菌病毒的潜在功能知之甚少(图4a)。 在所有鉴定出的肠道古菌病毒中,M. smithii古菌病毒的蛋白功能最为多样,共包含了1034种不同功能的蛋白(只考虑了被指定生物功能的蛋白),其中包括一些病毒特有的功能蛋白,例如与结构、包装、裂解、DNA结合/调控和复制相关的蛋白,但其他一些古菌病毒则缺乏这些病毒特有的功能蛋白(图4b)。此外,团队还对36条完整古菌病毒代表序列的基因组进行了研究(图4c),其中23条序列携带PeiW(pseudomurein endoisopeptidase)基因,揭示了该基因对于病毒侵染产甲烷古菌的重要性。此外对33种有尾病毒基因组的分析结果表明,与人类肠道中的细菌病毒类似,温和古菌病毒在人类肠道古菌病毒中占据主体地位。 在这项研究中,研究团队对人类肠道中的古菌病毒进行了全面的宏基因组数据挖掘,本研究结果将为深入了解人体肠道内古菌病毒的多样性和蛋白功能提供前所未有的见解,以供人们更好地了解人类肠道生态系统。
  • 《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。