Genome Biology | 口腔中令人难以置信的细菌-研究人员仔细研究了人类口腔中微生物群落的基因组

2020
12/30

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酷酷酷夏ry / 生物医学科研之家
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哈佛大学领导的微生物生态学研究人员检查和研究了人类口腔微生物组,发现了生活在口腔某些区域的细菌亚群的惊人变化。

日期:2020/12/16

杂志:Genome Biology

杂志影响因子:10

原文标题:Metapangenomics of the oral microbiome provides insights into habitat adaptation and cultivar diversity

原文链接:https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02200-2

来源:美国Harvard University

摘要

每年3月20日是“世界口腔健康日”。口腔微生物与龋齿,牙菌斑,牙结石,牙周病,口腔粘膜溃烂都有着密切关系。国际大型合作项目HMP从测试人群采集口腔各个部位细菌作为样品进行分析,了解不同微生物结构。

在口腔中,大多部位以鏈球菌 (Streptococcus)为主,其中頰粘膜中為嗜血桿菌 (Haemophilus),齦上牙菌斑為放線菌 (Actinomyces),齦下牙菌斑為普雷沃氏菌 (Prevotella)。

研究人员检查了人类口腔微生物组,发现了生活在口腔某些区域的细菌亚群的巨大变异性。 在许多情况下,能够鉴定出少数基因,可以解释特定细菌群体的栖息地特异性。细菌通常表现出很强的生物地理学性质,一些细菌在特定位置富集而其他细菌则不富集。在将微生物学应用于治疗时,比如采用益生菌时引发的主要问题是细菌是否进入了错误的地理位置? 以及我们如何将正确的细菌添加到正确的位置?该问题其实存在一个很大的障碍,细菌是如此之小,数量众多,并且具有非常多样和复杂的种类,这对理解哪些细菌亚群生活在何处以及哪些基因或代谢能力使其在这些“错误的”地方壮成长提出了重大挑战。该项新研究中,出于对细菌如何花粉栖息地以及在人体内的构型充满好奇,由哈佛大学领导的微生物生态学研究人员检查和研究了人类口腔微生物组,发现了生活在口腔某些区域的细菌亚群的惊人变化。

内容

得力于最新的测序和分析方法,可以更好地了解口腔微生物组,提供了解决细菌群落复杂性的新方法。作者阐明了,口腔是研究微生物群落的理想场所,代表了肠道的开端,同时也是一个非常特殊的微小型环境,口腔中的微生物多样性能够涵盖有关微生物群落以及进化的有趣问题。口腔在不同区域包含数量惊人的特定微生物。 例如,在舌头上发现的微生物与在牙齿上的牙菌斑上发现的微生物非常不同。每个人舌头微生物与生活在别人舌头上的微生物也是存在差别的。该研究小组应用了公共数据库并下载了100个基因组,这些基因组代表了口腔中常见的四种细菌,副流感嗜血杆菌和Rothia属的三种口腔物种,并将其用作基因组参考,以调查其数百名志愿者口腔中的这些已知的微生物的“亲属”,该计划归属人类微生物组计划(HMP)。他们以这些参考基因组作为起点,来探究生活在口腔中数以万亿细菌细胞之间的遗传变异情况。

这里使用一种新开发的方法,称为超泛基因组学(metapangenomics),它将泛基因组(pangenomics;在一组相关细菌中发现的所有基因的总和)与宏基因组学(对来自社区中所有细菌的总DNA进行研究)相结合,使研究人员能够进行 对微生物基因组的深入检查,这产生了令人震惊的发现。即口腔微生物存在巨大的变异性,作者表示对口腔不同部位的变异性感到震惊。 特别是在舌头,脸颊和牙齿表面之间。在鉴定出一些确实很强的细菌候选物之后,便可以对这些假设进行实验性的测试微生物栖息地的要求,以使有益微生物进入指定的栖息地。

Metapangenome工作流程

超泛基因组学(metapangenome)提供了基因如何在参考基因组和宏基因组中分布的综合概述。图1显示了如何使用anvi’o 和Delmont和Eren所述的方法将分离的基因组和口腔宏基因组组合成一个全基因组的概念示意图。

图1

副流感嗜血杆菌由多个亚组组成

副流感嗜血杆菌的超基因组学分析揭示了隐藏的多样性和特定于栖息地的亚组。副流感嗜血杆菌是一种明显的口腔细菌,因为它在人的口腔内的多个部位都既丰富又普遍。以前的报道表明,在口腔内可能存在基因组不同的亚群。 为了调查以测序的培养菌株为代表的全基因组水平副流感嗜血杆菌种群的基因组结构,作者从NCBI RefSeq下载了33个高质量的分离基因组。 这些基因组在9个机构中进行了长达8年的测序,列出了从痰液到血液的分离来源,还有许多来自未指定的身体部位。从这33个基因组构建了一个泛基因组(图2)。对该泛基因组的检查(总共4318个基因簇)显示出一个大的核心基因组,涵盖泛基因组的35%(N = 1493个基因簇),如图2所示(9点至12点之间的连续黑条)。图中心的树状图根据基因组在整个基因组中的存在/不存在来组织基因簇,从而从视觉上将核心基因组与辅助基因组分开。辅助基因组由单个分离基因组独有的943个基因簇(占泛基因组的22%)组成,如图3到5点之间所示,而1882个基因簇(占泛基因组的44%)由某些人共享但不共享所有分离的基因组,显示在该图的5点至9点之间。在功能上,虽然核心和辅助基因组包含大多数COG类别的代表,但组成差异很明显,主要是由于核心基因组中功能未知的基因较少,而辅助基因组中的保守功能(如翻译)较少。当基因组本身根据它们共享的基因簇的数量和身份聚类时,它们被分为三组(第1-3组),这三组以共享的基因簇块区分(图2)。图右上角的树状图(图2)显示了聚类的地形,该树状图中的主要分支点将各组分开。 在所有基因组中,基因组完整性> 99%,冗余度<< 10%(图2,中间两个灰色条形图),表明观察到的分组不是基于基因组组装的质量。代表了副流感嗜血杆菌亚群的基因簇的块构成了基因组的相对较小的部分。

图2

采用超基因组学策略的主要好处是,它够确定哪些基因和品种最能代表给定自然栖息地中生长的微生物群。 使用超基因组学来查询来自人类口腔内的超基因组中Rothia和副流感嗜血杆菌全基因组的每个基因,并测量整个环境中每种变体基因的丰度。 这些数据可以作为指导选择最具有环境代表性的菌株和基因序列以供将来实验的资源。

总结

所看到的每个环境都有这些非常复杂的细菌群落。 口腔微生物与口腔疾病密不可分,研究告诉我们哪些微生物需要清除或重新添加。这项研究和类似研究可以为口腔微生物在人类健康中的作用提供新的见解。能够识别栖息地适应性背后的特定基因的能力在微生物生态学上非常重要。

参考及插图来源:http://toolsbiotech.blog.fc2.com/blog-entry-103.html

本文来自公众号生物医学科研之家,作者酷酷酷夏ry。

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关键词:
口腔微生物

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