通过全基因组学解开宿主-微生物群的复杂性(上)

2022
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微生态
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近年来免培养分子技术的发展为研究和理解这些系统的复杂细节提供了新的途径。

编译:微科盟小木,编辑:微科盟茗溪、江舜尧。

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导读  

动物-微生物相互作用的研究已经成为生物科学的一个中心话题,因为它与基本的生态进化过程、农业及健康的应用问题有关。然而,对动物宿主及其微生物群落的系统性研究仍然很少。对真核宿主及其微生物的遗传特征进行综合研究的全基因组学,正在成为克服这一限制的可行方法,但尚未被充分利用。认识到宿主和微生物的生物学和遗传特性以及所采用技术的优缺点,对于优化研究设计解决生物学中的一些主要问题至关重要。

 论文ID

 名:Disentangling host-microbiota complexity through hologenomics

通过全基因组学解开宿主-微生物群的复杂性

期刊Nature Reviews Genetics

IF:53.242

发表时间:2021.10.21

通讯作者:Antton Alberdi

通讯作者单位:丹麦哥本哈根大学 (Center for Evolutionary Hologenomics, The GLOBE Institute)

DOI号:10.1038/s41576-021-00421-0

综述框架

1 前言

2 全基因组学研究设计

  2.1 全基因组复杂性

2.1.1 宿主基因组复杂性   2.1.2 微生物宏基因组复杂性   2.1.3 环境复杂性  

  2.2 控制全基因组变量

2.2.1 控制宿主基因组   2.2.2 控制微生物宏基因组   2.2.3 控制环境  

  2.3 全基因组分辨率

2.3.1 宿主基因型   2.3.2 微生物宏基因型   2.3.3 环境型  

  2.4 时空分辨率

2.4.1 空间分辨率   2.4.2 时间分辨率  

  2.5 解释变量和响应变量

2.5.1 表型是基因型、宏基因型和环境型的产物   2.5.2 基因型表达受宏基因型和环境型的影响   2.5.3 宏基因型是基因型和环境型的产物  

3 全基因组学视角下的生物学

  3.1 未解决的问题

3.1.1 在决定微生物群时环境是否超过宿主遗传?   3.1.2 宿主-微生物相互作用是否影响宿主健康?   3.1.3 微生物影响宿主进化吗?   3.1.4 微生物是否为其宿主提供了适应性缓冲?   3.1.5 宿主影响微生物进化吗?  

4 未来展望

主要内容

1 前言

由真核生物及其微生物群组成的生物系统在自然界中广泛存在。宿主微生物群系统也称为全息生物,其复杂性从宿主与单个微生物(例如短尾鱿鱼发光器官中的生物发光细菌Aliivibrio)之间的一对一共生关系到宿主与动态群落之间的复杂排列(例如哺乳动物及其肠道微生物群,或植物及其根系微生物群)(图1a)。许多这样的系统在生态系统中发挥着核心功能作用,或对农业生产具有基础性作用(图1b)。因此,对这些系统的研究和控制已成为全球战略重点。

对真核宿主与微生物群落功能关联的研究至少可以追溯到19世纪晚期,当时研究人员根据显微镜观察发现,白蚁的肠道中含有白蚁所依赖的微生物物种,而婴儿的肠道中有帮助消化的细菌。随后对昆虫、农场动物和人类的研究依赖于培养、功能测定和显微镜结合的方法,以表征与这些宿主相关的微生物类群。近年来免培养分子技术的发展为研究和理解这些系统的复杂细节提供了新的途径。如今,我们能够以较快的速度产生高质量的真核生物基因组序列(近乎完整的染色体水平),并从包含复杂DNA混合物(如粪便或植物根)的样本中恢复几乎完整的细菌基因组,并且能够在宿主种内和种间复制。综上所述,这些进展使人们能够同时表征所谓的全基因组,即真核宿主和与该宿主相关的微生物群落所包含的全部遗传信息。

本综述中使用的术语全基因组(hologenome)和全基因组学(hologenomics)主要是工具性的,其反映了一种研究微生物和宿主的方法,这种方法是整体的而不是原子化的,并且超越了学科和分类学的界限。宿主和微生物基因与基因组的同时分析自然允许研究宿主-微生物关联的基本进化,因此,将有助于讨论选择对宿主、微生物及其混合物的作用的一般进化模式。然而,全基因组学的用途要广泛得多,因为它也被证明在疾病研究、农业实践的改进以及理解真核细胞和原核细胞之间的分子相互作用方面具有价值,本文仅举几个例子。

全基因组学利用基因组学和宏基因组学的最新进展,通过系统的方法来解开宿主-微生物系统的复杂性。这不仅可以对宿主基因型进行详细的分析,还可以对微生物的宏基因型进行表征,进而可以定义全基因型。只有通过结合高通量DNA、RNA、蛋白质和代谢产物分析、整合不同组学层面的新型统计工具,以及生成真核生物和原核生物的高质量参考基因组,才能对所有这些分析单元进行高分辨率的表征。这种全基因组学方法正在解锁由于过于复杂和数据生成的高成本而迄今仍无法访问的知识领域。

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 图1 宿主微生物群系统的多样性和生态相关性。a不同动物特定部位微生物群落的复杂性梯度。许多鳞翅目幼虫没有可检测到的肠道微生物群。短尾鱿鱼与一种细菌保持共生关系,这种细菌寄生在其发光器官上,使它们的皮肤发光。豌豆蚜虫的细菌细胞中含有1~2个优势细菌,少数次生类群的代表性较低。蜜蜂的肠道微生物群由几种类型的细菌组成。鸟类拥有一个由数百种细菌组成的复杂微生物群。b不同宿主微生物群系统的例子及其与生态系统或应用过程的相关性。光合作用的甲藻在营养贫乏的热带水域为珊瑚提供了碳来源,形成了珊瑚礁的基础。白蚁肠道中木质纤维素降解菌将复合多糖转化为短链脂肪酸(SCFAs),并对木材基质中的木质素进行改性。植物根系微生物群在将复杂的有机化合物转化为植物根系可以吸收的简单营养物质,从而提高生产力方面发挥着核心作用。瘤胃微生物群是通过复杂植物多糖发酵产生SCFAs和其他必需化合物的重要组成部分,而复杂植物多糖在动物宿主体内既是能量来源又是信号元素。小鼠肠道微生物群在实验室疾病模型中起着至关重要的作用,因为它们对许多与能量代谢和免疫反应相关的系统条件有影响。

2 全基因组学研究设计

全基因组学可以用来理解宿主和微生物的联合特征如何塑造与宿主(如适应)、微生物(如集合群落动态)或两者相关的生物过程(BOX 1)。根据研究系统的目的和特征,可以使用不同的研究设计、模型系统和技术来实现全基因组学。我们认为,这种可能性的格局是围绕着设计和解释全基因组研究(图2)时需要考虑的五个基本问题形成,这些问题涉及五个核心主题:全基因组复杂性、全基因组变量的控制、全基因组分辨率、时空分辨率和解释变量与响应变量

BOX 1 从不同视角研究全基因组学。虽然宿主微生物群系统涵盖了一系列生物属性(图1),但宿主基因组和微生物宏基因组之间的不对称性是其基本特征。宿主基因组通常属于单个多细胞大型生物,其传代时间通常比其相关微生物的传代时间长得多。相比之下,微生物宏基因组代表可能属于成百上千个不同分类群的数百万单细胞生物的基因组组合。除了较短的传代时间外,它们通常还表现出水平基因转移能力,从而提高其适应潜力。因此,尽管宿主基因型在宿主的整个生命周期中大多是固定的,但微生物宏基因型和由此产生的全基因型却在不断变化。由于这一点和在其他差异,宿主影响微生物群的途径以及微生物群影响宿主的途径都是不同的,正如应用全基因组学从微生物与宿主的角度描述系统时所提供的信息一样。 微生物视角 宿主为微生物群提供了物理基础,并定义了其生态系统的许多属性。因此,宿主的基因组特征有助于配置微生物可以占据的生态位。例如,肠道形态决定氧的梯度,脂质的产生决定皮肤微生物群的结构,宿主巨噬细胞可以对微生物群落进行直接选择。在动物中,宿主基因组也可以通过影响宿主行为(社交、哺乳行为和饮食)间接影响微生物群的传播、获取和群落动态,这是塑造动物相关微生物群落的三个主要因素。 全基因组学不仅有助于研究宿主基因组变异如何改变微生物群落所经历的条件,而且有助于理解微生物群如何改变形成这种情景的宿主过程。微生物可以调节宿主中特定基因的表达。例如,在小鼠模型中,肠道孢子形成细菌释放的代谢物可以改变参与血清素生物合成的各种宿主基因的表达。微生物还可以触发更复杂的系统变化,诱发宿主的发育或行为改变,从而间接影响微生物生活环境。 宿主视角 微生物的基因组特征可以通过引起疾病或增强生物学能力来影响宿主生物学。由于细菌能够代谢复杂的食物,产生必需的生物分子,调节宿主基因表达,促进表观基因组变化或触发激素级联,因此可以显著影响宿主的表型特征。全基因组学可用于理解宿主基因组特征如何制约其微生物群提供的代谢功能,以及这些微生物的宏基因组特征和宿主的基因型如何调节宿主的基本生物过程。  

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图2 设计和解释全基因组研究的五个基本标准概述。1.复杂性。全基因组系统的复杂性可以分解为3个方面:宿主基因组复杂性、微生物宏基因组复杂性和环境复杂性。2.控制变量。可以从宿主微生物系统中恢复哪些信息,这取决于研究人员能否能够以及在何种程度上控制、最小化或消除宿主基因组、微生物宏基因组和环境复杂性。3.基因组分辨率。宿主基因组和微生物宏基因组的分辨率,以及基因型、宏基因型和组合全基因型的定义方式,决定了所研究宿主-微生物群系统的基因组复杂程度。4.时空因素。哪些问题可以解决也取决于宿主和微生物群落固有的时空特征以及研究设计的时空特征。5.解释和响应变量。由于宿主微生物群系统的多层性质和双向相互作用,解释和响应变量的定义以及研究者想要回答的问题通常由研究设计决定。ASV,扩增子序列变异;COI,细胞色素氧化酶Ⅰ亚基基因;GBS,基因分型测序;MAG,宏基因组组装基因组;mtDNA,线粒体基因组;OTU,操作分类单元;WGS,全基因组测序。

2.1 全基因组复杂性

全基因组复杂性可以广义地定义为所分析的生物系统所包含的与研究相关的信息量,它可以分解为宿主基因组、微生物宏基因组和环境复杂性三大元素。在这些元素中,可以定义两个复杂性来源:研究系统的内在复杂性,包括宿主基因组的大小和细菌基因组的数量,以及被比较生物体之间的差异程度引入的复杂性,如基因表达差异与基因组差异(图3)。宿主基因组、微生物宏基因组和环境复杂性的结合将决定研究系统中每个因素的相关性和可以解答的问题(图4)。这些信息可以用来选择最合适的系统以解决特定的生物学问题,或者当研究人员被绑定在给定的系统时,可用来根据系统的特性调整研究设计。

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 图3 全基因组复杂性的分解。全基因组研究的设计和解释取决于所研究系统的宿主基因组(a部分)、微生物宏基因组(b部分)和环境(c部分)的复杂性。在每个复杂轴内,可以根据特征是系统固有的还是研究人员通过选择比较组引入的来定义两种类型的梯度。

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图4 研究系统的全基因组复杂性。不同的研究系统具有不同的复杂性,这限制了可以解决的科学问题的范围。a六个研究系统的实例,具有不同水平的基因组、宏基因组和环境复杂性。b实例复杂性的三维展示。平面的面积代表系统宿主基因组和微生物宏基因组的组合复杂性,而高度代表环境复杂性。组合的三维体积代表了整个系统的全基因组复杂性。HMP,人类微生物组计划。

  2.1.1 宿主基因组复杂性。

宿主基因组的内在复杂性主要由基因组大小、染色体数量、倍性、功能遗传元件数量和重复序列数量等特征决定。这些特征在真核生物中各不相同,不仅决定了分析的复杂程度,还决定了数据的生成方式(例如,通过考虑与重建高质量参考基因组相关的复杂性)。因此,在基因组相对简单且特征良好的宿主生物(如秀丽隐杆线虫Caenorhabditis elegans或小家鼠Mus musculus)中有效实施全基因组方法比那些具有极大、重复丰富的基因组的宿主生物(如蝾螈或多倍体植物)更可行(图3a)。

宿主的复杂性也由实验设置本身决定。所研究的宿主可能从具有几乎相同基因组特征的个体(如同卵双生或近交小鼠),到种内变异(如不同的植物地方品种或生殖隔离的动物种群),再到不同的物种或进化谱系(例如,普通花园中生长的单子叶植物与双子叶植物)(图3a)。在这个宿主基因组复杂性的梯度中,下端考虑了主要由SNPs引入的个体间基因组变异,这通常会在宿主的形态学(如肠隐窝属性)和生物分子(如抗菌肽和免疫球蛋白的产生)特征上造成细微的差异。与此同时,上端通常处理产生重要形态和物理化学变化的主要基因组差异,这些变化在所研究的宿主之间产生明显的表型差异。一个有趣的例外是,遗传决定的性别如何通过两性异形在身体上引起的主要结构差异对同种内的微生物群落带来大规模的变化。已知这两种类型的基因组变异都会通过多种潜在机制影响宿主微生物群落。2.1.2 微生物宏基因组复杂性。

决定内在宏基因组复杂性的一个基本方面是微生物宏基因组定义中所包含的分类单元的广泛性。早期基于宏条形码的全基因组研究通常侧重于单个分类群,例如细菌(早期可用标记基因和数据库),而基于鸟枪法测序的方法则允许考虑整个微生物宏基因组。事实上,大多数微生物的宏基因组也包括病毒、其他原核生物(如古菌和候选辐射纳米细菌)和真核生物,如真菌、原生动物和寄生虫。即使是对微生物群落进行整体研究,感兴趣的微生物群落也可以从单个微生物共生体到由数千种分类群组成的复杂微生物群落(图1a)。

宏基因组复杂性还受到所比较微生物群落的分类和功能差异的影响,这些差异可能在分类单元的相对丰度方面有所不同,也可能在组成上有所不同(图3b)。然而,微生物群落的高度动态特性所导致的基因表达差异并不总是导致显著的结构变化,功能冗余意味着微生物的更新并不总是转化为微生物生态系统中有效的功能变化。

2.1.3 环境复杂性。

环境因素的复杂性,定义为任何不直接由宿主基因组和微生物宏基因组特性决定的特征,在设计和解释全基因组研究时也起着至关重要的作用。在本文中,环境可能包括非生物条件(如寒冷与温暖),但也包括栖息地(如沼泽与森林或动物园与野生)或饮食(如植食性与肉食性)。宿主和微生物的基因表达模式以及宿主的其他特征,如行为或生理状态,在很大程度上是由环境驱动的。可以定义环境内在复杂性的梯度,从所有环境特征保持不变的实验室实验到非生物和生物条件因地点、时间和个体宿主不同而不同的自然生态系统(图3c)。与宿主和微生物复杂性相似,环境复杂性也由实验设置决定。所比较的生物系统的环境条件的差异程度将决定研究系统的整体环境复杂性。

2.2 控制全基因组变量

控制全基因组变量的复杂性对于解决特定的研究问题至关重要。广义地说,所研究的问题越详细、越机械,所需要的控制就越大。例如,使用实验室模型研究特定的生物分子过程将比研究野生生物中宿主-微生物相互作用的生物地理模式需要更高水平的控制。对全基因组变量的控制可以通过多种策略来实现。

2.2.1 控制宿主基因组。

宿主基因组复杂性的控制很大程度上取决于所研究的模式生物和所采用的技术方法。在可以无性繁殖的实验室生物中,如水蚤(Daphnia,甲壳纲Crustacea)和唇形科(Lamiaceae)植物,可以通过使用克隆生物实现对宿主基因型的绝对控制。当不能使用克隆时,近交实验动物可以提供高水平的基因同质性。使用遗传同质性宿主群可以比较不同环境条件或特定微生物群落的影响。克隆和近交模型还可以通过应用靶向技术调节基因表达(如RNA介导的干扰)或用于基因组工程(如CRISPR-Cas9),在受控基因组背景下研究特定宿主遗传因子的影响。除非产生体外模型,如动物组织和微生物群落的器官芯片共培养,否则与人类和野生生物的合作无法实现对所研究基因型的这种程度的控制。当这种控制水平无法实现时,可以通过对比来自不同种群或近缘物种的动物来实现对宿主基因型的粗略控制,而通过比较不同亲缘关系程度的个体(如同卵双胞胎和异卵双胞胎)以及其他个体与家庭成员来实现更大的控制。

2.2.2 控制微生物宏基因组。

微生物宏基因组复杂性的控制通常是通过调节微生物群落来实现的。一些策略,如改变饮食结构或使用微生物靶向添加剂或益生元,旨在通过改变营养的有效性来改变微生物生态系统。然而,由于微生物间生态关系的复杂性,除非使用与特定微生物独特的酶功能相匹配的化合物,否则很难准确地调节微生物群。改变微生物群落的替代方法包括接种靶向菌(如益生菌)和粪便微生物群移植。这些方法的疗效和准确性也各不相同;无法保证接种的细菌会建立或调节微生物群,而移植不能准确控制引入的微生物群落或随细菌一起移植的次级元素。这些问题使结果的解释复杂化;例如,随着细菌转移的噬菌体可能会严重影响肠道微生物群组成。通过移植合成微生物群落,可以达到更高水平的控制。虽然这种方法已经成功地在不同的体外模型中实施,但微生物群落的复杂性仍然阻碍了它在活体动物中作为常规科学程序的有效使用。这些合成微生物群的宏基因型可以通过具有所需遗传特性的基因工程细菌进一步控制,从而最终促进相互作用菌群的组装和控制。

2.2.3 控制环境。

在大多数实验室研究中,环境复杂性被降低,因此各组和受试者之间没有或只有很少的环境参数(通常仅为实验处理)发生变化。气候室和水族馆提供绝对控制的非生物条件,如光/暗循环、湿度和温度变化。室外普通苗圃实验不能完全控制环境因素,但它们确保了对被比较系统的影响是相同的。一些自然系统还可以提供特殊条件使环境特征得到控制,例如由其他鸟类繁殖的杜鹃雏鸟,或同域发生但异时隔离的种群,如每年交替在同一条河流中繁殖的鲑鱼种群。对野生生物的研究通常包含更复杂和动态的环境条件;当不能控制它们时,收集相关的环境元数据是有用的,这些元数据可以作为协变量纳入统计分析。一个世纪的生态学研究已经揭示了每一种方法的优势。一端,实验室微观世界可以进行最简化的控制;另一端,对现实世界的宏观研究为仅基于微观世界无法预测的自然生态系统的涌现特性提供了视角。

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关键词:
微生物群,基因组学,基因型,宿主,群落,环境,细菌,特征,研究

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