Das menschliche Darm-Virom enthüllt eine Vielzahl von dsDNA-Phagen-Genomen.

dsDNA-Phagen

Diese reiche Gemeinschaft von Bakteriophagen (Phagen) hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Struktur und Funktion des Bakterioms, hauptsächlich durch bakterielle Lyse und Genübertragung. Die Auswirkungen von viromischen Mutationen auf Bevölkerungsebene sind jedoch weitgehend unerforscht.

Die enterovirale Gruppe, die von dsDNA-Phagen dominiert wird, rivalisiert in der Anzahl mit bakteriellen Populationen im menschlichen Darm. Zu den bemerkenswerten Mitgliedern dieser dsDNA-Phagen gehören crAssphage, Lak-Phage und Gubaphage/Flandersviridae. Ihre Genome bieten wertvolle Einblicke in ihr funktionales Potenzial, einzigartige biologische Eigenschaften und ökologische Rollen im menschlichen Darm. Umfassende Forschungen wurden zu diesen durchgeführt. Phagenomeund sie sind jetzt in mehreren Sprachen zugänglich.

In einer umfassenden Studie sammelten sie 4.198 Stuhlproben von japanischen Personen (im Durchschnitt 66,4 ± 12,6 Jahre alt), die am 4D-Programm teilnahmen. Diese Proben wurden untersucht. Metagenom-Sequenzierungund die sorgfältige Datensammlung umfasste intrinsische und extrinsische Faktoren wie Alter, Geschlecht, Body-Mass-Index, Lebensstil, Ernährungsgewohnheiten, Krankheiten, Medikamente und mehr. Anschließend verwendeten sie einen innovativen Analyseprozess, um einen hochwertigen Phagenkatalog zu erstellen und führten umfassende Analysen durch.

Die Untersuchung von menschlichen Enteroviren, die aus den intestinalen Metagenomen dieser 4.198 Personen stammen, enthüllte eine Fülle von hochwertigen dsDNA-Phagen-GeneomeDarüber hinaus haben wir durch umfassende Korrelationsanalysen, die verschiedene Wirts- und Umweltfaktoren einbeziehen, zahlreiche intrinsische und extrinsische Elemente identifiziert, die signifikant mit der Struktur viraler Gruppen assoziiert sind.

Etablierung eines robusten Phagen-Genomkatalogs in einer japanischen Mikrobiom-Kohorte

In ihrer Studie wurde ein neuartiger Ansatz vorgestellt, um ein zu konstruieren. umfassendes Phagen-Genom Katalog innerhalb einer Mikrobiom-Kohorte in Japan. Dieser innovative Prozess nutzt die Identifizierung phagenspezifischer Genommerkmale und hebt sich damit von bestehenden Virenerkennungstools ab. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Rate an echten Positiven mit der alternativer Methoden vergleichbar oder leicht darunter liegt, während die Rate an falsch Positiven erheblich reduziert ist und nur bei 0,4 % steht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ihr Ansatz gut geeignet ist, um hochwertige Phagenkataloge mit minimaler Kontamination durch Nicht-Phagen-Sequenzen zu erstellen.

Durch ihre Bemühungen identifizierten sie erfolgreich insgesamt 1.125 vollständige Phagen-Genome und 3.584 skizzierte Phagen-Genome (die über 70% Vollständigkeit aufwiesen) innerhalb einer Kohorte von 4.198 japanischen Individuen. Bemerkenswerte 59,9% dieser Genome wiesen eine hohe Qualität auf. Um die Abdeckung dieses Katalogs in Bezug auf doppelsträngige DNA (dsDNA) Phagen im menschlichen Darm zu bewerten, wurde eine Sequenzierung von virusähnlichen Partikeln (VLP) an zusätzlichen 24 Stuhlproben durchgeführt. Ihre Ergebnisse stimmten mit einem anderen Phagen-Genom-Katalog überein, der mit der VIBRANT-Software erstellt wurde.

Sie verwendeten Hostvorhersagetechniken, die auf der CRISPR-Spacer-Region basierten, die zeigten, dass die häufigsten Phagen zu den Thickettsia, Anaplasmaund Actinobakterien-Phylaund auf der Gattungsebene umfassten ihre gemeinsamen Wirte Anaplasma, Ruminalococcus, Blautia, und Bifidobacterium. Eine bemerkenswerte Beobachtung war, dass ein erheblicher Teil der Phagen (71,1%) ausschließlich ein einzelnes Genus infizierte, was sie als endemische Phagen kennzeichnete, während andere ein breiteres Wirtsspektrum aufwiesen und in der Lage waren, mehrere Genera zu infizieren, wodurch sie als universelle Phagen kategorisiert wurden. Die Größen der Phagen-Genome innerhalb der Mycobacterium, und Prevotella Die Phagenphylum waren relativ groß, was mit den Variationen in der Größe des Wirtsgenoms übereinstimmt.

Zusätzlich führte das Clustering von viralen operativen taxonomischen Einheiten (vOTUs) basierend auf dem Anteil gemeinsamer Proteine von über 20 % zur Identifizierung von insgesamt 223 Clustern, die Virusfamilien (VCs) oder Unterfamilien repräsentieren.

Übersicht über rekonstruierte Phagen-Genome aus 4198 menschlichen Darm-Metagenomen. (Nishijima et al., 2022)

Identifizierung neuartiger viraler Cluster, die im menschlichen Darm reichlich und verbreitet sind. (Nishijima et al., 2022)

Intime Beziehungen zwischen Darmviren und Bakterien

Bei der Untersuchung der Eigenschaften von Viren und Bakterien, die von 4.198 Personen gesammelt wurden, trat eine tiefgreifende Verbindung zutage. Es gab eine signifikante positive Korrelation zwischen ihrer α- und β-Diversität, die eine enge strukturelle Beziehung zwischen viralen und bakteriellen Zusammensetzungen im menschlichen Darm offenbarte. Interessanterweise wurde festgestellt, dass Viren eine erheblich höhere β-Diversität im Vergleich zu Bakterien aufwiesen, was darauf hindeutet, dass Viren eine individuellere Natur besitzen als Bakterien.

Interessanterweise wurden eins-zu-eins-Korrelationen zwischen der relativen Häufigkeit jedes Phagen und seinem vorhergesagten Wirt auf Gattungsebene innerhalb der 4.198 Individuen entdeckt. Diese Erkenntnis deutet darauf hin, dass Phagen und ihre Wirtsbakterien in einer gegenseitig vorteilhaften Symbiose im menschlichen Darm interagieren. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Korrelation zwischen endemischen Phagen und ihren Wirten signifikant stärker war im Vergleich zu universellen Phagen, was die Spezifität dieser Interaktionen beleuchtet.

Um diese Beziehungen näher zu untersuchen, wurde eine Erforschung von antiviralen Genen, einschließlich CRISPR-Cas-Systemen, durchgeführt. Die Häufigkeit dieser Gene wurde quantifiziert und ihre Korrelation mit der virologischen Struktur untersucht. Die Ergebnisse zeigten einen signifikanten Anstieg des Shannon-Index von Viren in Proben mit hoher Häufigkeit von Abwehrgenen, über alle drei prokaryotischen Abwehrsysteme hinweg, im Vergleich zu Proben mit niedriger Häufigkeit dieser Abwehrgene.

Enge Wechselwirkungen zwischen dem Darmvirom und dem Bakteriom. (Nishijima et al., 2022)

Umfassende Analyse der Wirts- und Umweltfaktoren, die die Virologie beeinflussen

In ihrer Untersuchung der Beziehung zwischen der Struktur von Enteroviren und den physiologischen sowie umweltlichen Aspekten ihrer Wirte traten eine Reihe von faszinierenden Erkenntnissen zutage. Das Alter erwies sich als entscheidender Faktor und zeigte eine signifikante und positive Korrelation mit der viralen Vielfalt sowie eine positive Assoziation mit der bakteriellen Vielfalt. Besonders bemerkenswert war, dass das Alter starke Verbindungen zu 176 viralen Operational Taxonomic Units (vOTUs) aufwies, die positive Assoziationen mit Clostridium difficile, Clostridium tumefaciens, Bacillus faecalis Phagen und host-unbekannte Phagen. Auf der anderen Seite zeigte das Alter eine umgekehrte Korrelation mit VC_28. Ähnlich wies das Geschlecht signifikante Korrelationen mit 68 vOTUs und 24 Virus-Clustern (VCs) auf.

Im Rahmen ihrer erweiterten Analyse bewerteten sie 232 Wirts- und Umweltfaktoren, um deren Beziehungen zu viralen Eigenschaften zu untersuchen. Die robustesten Assoziationen, die die enterovirale Vielfalt beeinflussen, wurden mit klinischen Faktoren beobachtet, insbesondere mit Medikamenten und Krankheiten. Siebenundneunzig der 232 Faktoren zeigten signifikante Korrelationen mit der viralen Variation, wobei das Alter als der Faktor mit der stärksten Korrelation zu den Virusdynamiken hervorstach.

Eine besonders interessante Entdeckung wurde in Bezug auf crAssphage (vOTU_974) gemacht. Er zeigte keine signifikanten Korrelationen mit den analysierten Faktoren, was auf das Vorhandensein bisher unbekannter Wirte, Umwelt- oder ökologischer Faktoren hinweist, die zu den beobachteten Variationen in diesem äußerst häufigen Phagen beitragen.

Alterungs- und geschlechtsbezogene Veränderungen im menschlichen Darmvirom. (Nishijima et al., 2022)

Referenz:

1. Nishijima, Suguru, et al. "Umfangreiche Variation des Darm-Viroms und deren Zusammenhänge mit Wirts- und Umweltfaktoren in einer bevölkerungsweiten Kohorte." Naturwissenschaften Kommunikation 13.1 (2022): 5252.