科研丨Nature子刊(IF:30.96): 来自人类肠道古菌组的1167个基因组目录

编译：微科盟蔚蓝，编辑：微科盟居居、江舜尧。

微科盟原创微文，欢迎转发转载，转载须注明来源《微生态》公众号。

导读  

人类肠道微生物组在健康方面发挥着重要作用，但其古菌多样性在很大程度上仍有待探索。本研究报告了从24个国家农村和城市人口的人类胃肠道中恢复的1167个非冗余古菌基因组(608个高质量基因组)。我们鉴定了以前未曾表征的分类群，包括3属、15种和52菌株。基于不同的基因组特征，本研究证明了Methanobrevibacter smithii分支分为两个独立的物种，其中一个物种由以前未描述的“Candidatus Methanobrevibacter intestini”代表。28581个蛋白簇的模式显示出与社会人口特征(如年龄组和生活方式)显著相关。此外，本研究还表明古菌的特征在于对宿主的特定基因组和功能适应，并携带复杂的病毒组。本研究扩展了目前对人类古菌组的理解，并为未来分析提供了一个庞大的基因组目录，以破译其对人类生理的影响。

论文ID

原名：A catalogue of 1,167 genomes from the human gut archaeome

译名：来自人类肠道古菌组的1167个基因组目录

期刊：Nature Microbiology

IF：30.964

发表时间：2021.12

通讯作者：Ruth A. Schmitz，Christine Moissl-Eichinger

通讯作者单位：德国基尔大学；奥地利格拉茨医科大学

DOI号：10.1038/s41564-021-01020-9

实验设计

结果

1. 从人类胃肠道样本中收集1000多个独特的古菌基因组 

为了探索人类胃肠道样本中古细菌的多样性，我们从最近收集的MAGs和分离株中收集了公开可用的基因组。检索到的1167个非嵌合和非冗余基因组(扩展数据图1)跨越了广泛的分类多样性，包括Methanobacteriales(87.15%)、Methanomassiliicoccales(12.43%)、Methanomicrobiales(0.26%)和Halobacteriales(0.17%；补充表1a-f和图1)。大多数基因组在分类学上与已知的Methanobrevibacter有关(996个基因组；85%)，这与先前的报道一致。其他基因组隶属于Methanomethylophilus(38;3.3%)、Methanomassiliicoccus (29;2.5%)、Methanosphaera (20;1.7%)和Methanocorpusculum(3;0.3%)。Methanobacterium、Haloferax和Halorubrum每个仅有一个基因组代表。在1167个基因组中，有10个(0.85%)无法归属于任何先前表征的属，98个基因组(8.3%)与任何已知物种都不匹配。与任何已知种(n=83)和属(n=10)不匹配的大部分基因组都隶属于Methanomassiliicoccales。基于read的群落分析显示，在代表性原始数据集中古细菌reads比例为1.22%(补充表2a-f)。基于增长率指数分析，我们得到了充分证据表明主要古细菌物种确实在其栖息地内积极复制(参见补充信息和扩展数据图2)。泛基因组分析(补充信息)显示，肠道古菌组在很大程度上仍然采样不足。

图1 来自人类GIT的古细菌基因组(1167)揭示了古菌的分类扩展。

基因组的系统发育树以99%的相似性(“菌株”)聚类。代表性物种以粗体基因组编号突出显示。分离株、未知属和种的代表由基因组编号旁边的彩色圆点表示。代表性基因组的分类从属关系按目、属和种水平显示。分配到菌株水平分类单元的基因组数量显示在灰色直方图中。代表性基因组的各自基因组大小以碱基(Mb；棕色条)显示。概述了参与宿主相互作用的基因的缺失和存在：胆盐水解酶(蓝色；BSH)和抗氧基因(绿色)，以及可能编码粘附素/粘附素样蛋白/Flag_new domain proteins的基因组(橙色)。使用MaGe显微镜分析基因组(菌株列表)，当自动注释为阳性时(“假定的”注释计为阳性)将基因计为存在。 

 2. 古菌蛋白质谱与地理和人口统计学参数相关 

总共从1167个基因组中鉴定出180万个蛋白质，其中54%被注释为假定蛋白。通过对所有基因组中的预测基因进行聚类并排除单例聚类，共产生1167个古菌基因组的蛋白质目录，28581个集群代表(>50%氨基酸同一性，>80%覆盖率)(扩展数据图3和补充材料1)。在本研究的数据集中，发现2050种蛋白质(其中58%为假定蛋白)在>50个基因组之间共享，反映了两个最丰富菌目(Methanomassiliicoccales和Methanobacteriales)的分类学距离(图2a)。 

蛋白质目录对某些元数据类别具有预测潜力(图3、补充表3和4、扩展数据图4和5)。个人生活方式(城市/农村)的预测准确度最高(总体准确度=100%)。大陆、国家、个体健康状况、年龄组或性别的预测准确度仍>70%，而体重指数(BMI)不太适用于监督学习模型的建立(预测准确度<70%)，且仅当预测基于实际BMI值而不是分组BMI类别时才具有显著性(R=0.4，P=2.9×10-5)。对于某些元数据类别，例如各个国家的个人生活方式、性别和来源，如果基于丰度(映射的蛋白质矩阵)，而不是基于存在/不存在(统一的蛋白质目录)，预测效果将更好。有关多个元数据类别的组合效应以及假定蛋白与各种元数据类别关联的结果，请参阅补充信息(补充表5和6)。

图2 不同元数据类别的基因组分布，涵盖地理起源、人口统计学和健康方面。a,b 分类元数据按地理起源(a、生活方式和国家)和人口统计学分为三个冲积图(b、年龄和BMI组)。肥胖定义为BMI>30 kg m-2。婴儿：0-3岁；儿童：4-12岁；青少年：13-18岁；成人：19-64岁；老年人：>64岁。c，健康方面(健康状况和疾病类型)。NA，没有可用的数据。为了提高可视性，仅显示了根据GTDB分类具有至少三个代表的基因组。数字表示每组中的基因组数量(共1054个古菌基因组)。

图3 来自人类肠道微生物组分布的古细菌基因组和相应的统一蛋白质目录。a 基于所有1167个古菌基因组的MMseqs2，在50%序列同源性和80%覆盖率下基于蛋白质聚类的统一人类古菌蛋白质目录。热图描绘了1167个古菌基因组(列)中存在3050种蛋白质(在>50个基因组中发现；行)。使用R中pheatmap library实现热图可视化。NA，没有可用的数据。b，基于蛋白质谱(a)的Methanomassiliicoccales、Halobacteriales和Methanobacteriales的分类学区别，显示在623个古菌蛋白质深度的基于Bray-Curtis距离的PCoA图中。PCoA显示出五个不同的簇，分别是Methanomethylophilaceae、Methanomassiliicoccus、Methanocorpusculum、Methanosphaera和Methanobacteriaceae spp.。c，值得注意的是，Methanobacteriaceae sp.分支被细分为Methanobacteriaceae sp.和Methanobrevibacter sp.，其中Methanobrevibacter smithii和M. smithii _A(后来称为Ca. M. intestini)形成单独的簇。 

 3. 该数据集揭示了既往未表征的人类胃肠道古细菌组成员 

本研究获得了20个与Methanosphaera属相关的基因组，其中包括3个分离株基因组。在分类学上，与人类相关的Methanosphaera基因组隶属于三个不同物种水平的分支(扩展数据图6和补充表7a-c)。其中最常见的M. stadtmanae有17个基因组(14 个 MAGs)。在所有微生物reads中，M. stadtmanae占0.028%，而参考数据集中所有古细菌reads的平均占比为13.45%(详见补充表2a，以及下面提到的其他分类群)。2个MAGs(平均核苷酸同源性(ANI) 98.5%)聚类为M. cuniculi，其来自生活在城市中的健康亚洲受试者。M. cuniculi菌株最初是从兔肠道中分离出来的，迄今为止尚未在人类宿主中报道过。另外一个Methanosphaera属的MAG是从患结直肠癌的欧洲男性(BMI 21，年龄64岁，城市环境)的肠道宏基因组中分离出来的。

该基因组与从牛肠中获得的基因组RUG761聚类在一起 (ANI 99.0%；扩展数据图6)。 与人类相关的Methanomassiliicoccales的数据集由对应于12个物种的145个基因组组成(补充表1a)。这一基因组分为两个科，其中大部分属于“宿主相关”Methanomethylophilaceae (116个基因组)，另一个属于Methanomassiliicoccaceae(“独立生存分支”；29个基因组)。其中五个候选种对应于先前在人类样本中发现的基因组，占研究中Methanomassiliicoccales的81%。其中Methanomassiliicoccales Mx06 sp.(44个基因组)、Methanomethylophilus alvus(37个基因组)和Methanomassiliicoccus intestinalis(20个基因组)是人类群体中最常见的Methanomassiliicoccales。

Mx06多见于大洋洲、亚洲和非洲(分别为65%、13%和  7%；n=43)农村地区的年轻人(平均年龄32岁，n=34)。结合其在7-48岁原始印第安人人群中的高流行率(80%)，这个物种似乎与非西方化种群密切相关。该物种的年轻化与先前报道的年龄与产甲烷菌流行率之间的正相关形成对比。该物种的几个代表具有代谢TMA的遗传潜力，TMA是一种与三甲基胺尿症有关的细菌代谢物，被怀疑与心脏代谢、心血管和肾脏疾病有关。该物种从Methanomethylophilaceae属(Methanomethylophilus、Methanogranum和Methanoplasma spp.)分离出来，根据基因组分类数据库(GTDB)分类，属于候选属“UBA71”(补充表1c)。因此，我们认为它代表了一个以前未描述的属和种，并建议将Mx06的代表(代表性MAG：GUT_GENOME268463)命名为'Candidatus Methanoprimaticola hominis' gen. nov., sp. nov.。Ca. Methanoprimaticola hominis占所有微生物reads的0.094%(691项研究)，并在691项分析研究的48项中占所有古细菌reads的0.50-69.22%(补充表2a)。 

除了先前通过MAGs或培养方法鉴定的物种外，我们还鉴定了6种未描述的Methanomassiliicoccales物种，以24个MAGs代表。

其中一种聚集了12个MAGs，且在亚洲人中更常见。我们建议将其命名为‘Ca. Methanoprimaticola macfarlanii’ sp.nov.；代表性MAGs：GUT_GENOME251929。在691项经筛选的研究中，该物种占所有微生物reads的0.076%(补充表2a)。 从MAG数据集中获得了许多尚未描述为人类GIT组分的其他古细菌类群。有关这些和其他分类群(Halorubrum、Haloferax、Methanocorpuscum 和Methanobacterium spp.)的详细信息见补充资料。 

 4. M. smithii分支分为两个独立的物种 图4展示了已知Methanobrevibacter spp.的宿主关联、地理、基因组大小和分类关联以及基因组的概述(有关M. smithii分支以外的Methanobrevibacter基因组详细信息参见补充信息)。 

 基于ANI同源性以及蛋白质目录信息，M. smithii组由两个物种水平分支表示(根据GTDB分类暂时命名为“smithii”和“smithii_A”)(图2c、4a以及补充表8a、b)。在所研究的整个数据集中，M. smithii_A出现了185次(占整个数据集的16%)，M. smithii共检测到797次(68%)，占数据集基因组的84%(补充表1a)。基于测序短序列匹配，发现在筛选研究中M. smithii占所有微生物reads的0.56%，而M. smithii_A占0.13%(补充表2a)。这两个分类群共占所有微生物reads的0.69%(总古细菌reads的1.21%)，证实了它们在胃肠道古细菌中的优势。

这2个M. smithii类群的中位基因组大小为1.7 Mbp(M. smithii)和1.8 Mbp(M. smithii_A)(分离株基因组大小：1.7 Mbp(M. smithii DSM2374)和1.9 Mbp(分离株 WWM1085))。 所有M. smithii菌株都携带modA基因，而M. smithii _A 基因组中均未检测到该基因(补充表8b)。该基因参与钼酸盐运输并负责底物结合。此外，在前25种区分蛋白(扩展数据图7和补充表9b)中，钼酸盐ABC转运蛋白渗透酶组分以及钼酸盐ABC转运蛋白ATP结合蛋白在94% M. smithii基因组中被发现，但未在M. smithii_A基因组中检测到。

这表明在M. smithii分支获取钼酸盐的途径不同。M. smithii_A基因组的特征还在于额外的特有膜/细胞壁相关蛋白，例如粘附素样蛋白、表面蛋白和许多不典型膜蛋白/转运蛋白(扩展数据图7)。 基于M. smithii和M. smithii _A两个代表性基因组之间的鉴别特征范围和ANI值仅为93.95%，我们建议重命名smithii_A分支为分离株WWM1085 (GUT_GENOME143185)，'Candidatus Methanobrevibacter intestini' sp. nov.，以进一步强调GIT中存在两种主要的、独特的Methanobrevibacter分支。‘Ca. M. intestini’和M. smithii无法在16S核糖体RNA基因序列上区分，这很可能是以前遗漏这种分支的原因。然而，对mcrA基因的分析揭示两个分支之间存在一致性差异，氨基酸序列平均差异为2.15%(1.82-2.22%；补充材料4)。

图4 Methanobrevibacter基因组的特征。a 基于ANI距离的Methanobrevibacter分支树状图。包括人类以外来源的12个代表性基因组的比较。来自人类GIT的基因组(菌株水平)以绿色(分类标签)突出显示。M. smithii _A是指新物种Ca. M. intestini。左侧的条图显示了起源：人类(黄色)、动物(红色阴影)和植物(绿色)。b-e，蛋白质谱的PCoA图(Bray-Curtis距离)，根据：基因组大小(b)、根据GTDB的Methanobrevibacter进化枝(c)、指定物种(d)和地理来源(e)。NA，没有可用的数据。 

5. 人类古菌组携带着复杂的、前所未见的病毒组 研究者在基因组数据集中确定了94个病毒种群(扩展数据图8和补充表10a-c)。在已鉴定的原病毒中，发现91个病毒物种代表对Methanobrevibacter A具有特异性，Methanomassiliicoccus和Methanosphaera spp.和Methanomethylophilaceae UBA71各有一个。 尽管1970s就发现了极端环境中的古细菌病毒，但对于高度丰富的中温环境中的非极端嗜热病毒知之甚少，迄今为止仅分离出少数非极端嗜热古细菌病毒。据我们所知，过去还没有发现感染人类肠道Methanomassiliicoccales和Methanobacteriales成员的病毒/原病毒。 

使用基于网络的病毒分类工具vConTACT2将这175种高质量和中等质量原病毒与最新的综合人类肠道病毒组数据库(GVD)以及Viral Refseq数据库进行比对，进而探索它们的独特性。然而，所有病毒未与数据库中的任何序列聚合。由于参考数据库中缺乏类似的古细菌病毒基因组，通过宏基因组方法对发现的古细菌病毒进行分类和进一步表征仍然具有挑战性。综上，这些结果表明目前可能低估了古细菌病毒在人类肠道微生物组中的多样性和生态重要性。 

6. 与人类相关的古菌比与动物相关的古菌表现出更低的细菌基因比例 提供额外功能的常驻细菌群落中特定基因的获取可能有利于古菌对GIT的适应性。为了评估这种可能性，我们将检索到的Methanosphaera和Methanobrevibacter基因组与动物来源的分离株和基因组进行了比较(补充表11)。对于这种比较，为排除来自污染读长的错误信息，我们仅使用来自分离株和MAGs的无污染基因组。 

与人类相关的产甲烷菌最可能来自细菌的基因比例显著较低，无论是仅考虑分离株还是同时考虑分离株和MAGs。人类相关Methanobrevibacter spp.平均携带约2.84%注释为非古细菌来源的基因，显著低于动物相关Methanobrevibacter spp.中非古菌基因的比例(6.09%；Mann-Whitney U检验，P=0.00308；仅来自分离株的基因组：6.36%)。这主要是动物基因组中梭菌来源基因(特别是毛螺菌科Lachnospiraceae)的显著增加(P=0.00116和P <0.00001，Mann-Whitney U检验；扩展数据图8)。毛螺菌科主要作用于植物降解。

特别地，Methanobrevibacter smithii/smithii_A (Ca. M. intestini)代表显示潜在的非古细菌基因非常少(2.11％；仅分离株基因组：1.8％)。 人类相关Methanosphaera spp.平均携带1.45%的细菌注释基因(仅来自分离株的基因组：0.68%)。然而动物相关Methanosphaera spp.含有更高比例的细菌基因(6.74%；P=0.00452，Mann-Whitney U-检验；仅来自动物分离株的基因组：5.31%)。差异主要是由于动物来源基因组中芽孢杆菌和丹毒丝菌来源基因的贡献显著增加(P分别为0.000441和0.000509；Student’s t检验；扩展数据图9)。有关Methanomassilicoccales的信息请参阅补充资料。

本研究结果表明， 对人类宿主的适应可能不一定反映在(通常)更高比例的人类胃肠道细菌来源的基因中。 

7. 宿主相关古菌与环境亲缘关系较远 作者认为与宿主相关的古细菌在分类学和功能上与其环境亲缘关系相差甚远，主要是因为它们各自宿主环境的特征不同。在基于16S rRNA基因的分析中(补充表12a，12b)，我们发现Methanobrevibacter和Methanosphaera以及Ca. Methanomethylophilus的成员几乎都是宿主相关来源的分类群(动物、人类、植物)，而Methanocorpusculum和Nitrososphaeria spp.和Haloferaceae 与环境菌株更相关(图5a)。 基于ANI的Methanobacteriaceae、Methanocorpusculaceae、Methanomethylophilaceae和Methanomassiliicoccaceae的分析揭示了不同来源的MAGs之间明显的分离(图5b-e；详细资料见补充信息)。

根据各自的生物群落信息，本研究的古细菌菌株可分为三组：(1)仅存在于人类肠道中，(2)与宿主(人类、动物、植物)相关和(3)广泛分布在环境中，前两组的比例最高。根据这一分类并基于当前可用的基因组和元数据，可以认为H. massiliensis、M. oralis、M. smithii、M. smithii_A (Ca. M. intestini)、M. stadtmanae、M. intestinalis和M. alvus隶属于(1)组。属于(2)组的物种包括M. woesei和M. cuniculi。(3)组的物种以H. lipolyticum、M. arboriphilus和M. luminyensis为代表，广泛分布于各种环境中。

图5 宿主相关亲缘和环境亲缘的比较。a圆堆积图显示特定分类群的环境(绿色)或宿主相关(黄色)性质。在16S rRNA基因水平上进行分析(补充表12)。每个分类单元分析的序列数由圆圈中的数字和圆圈大小表示；颜色表示宿主相关特征的比例。最大的贡献来自于M. smithii序列。注意：黄色(“宿主相关”)还包括与人类、动物和植物(*只有M. arboriphilus)相关的分类群。b-e ANI热图可视化。使用fastANI执行基于MinHash序列映射的ANI分析，并使用R中的pheatmap库进行可视化。ANI值范围为75%-80%之间以浅橙色表示，80-90% ANI以深橙色表示，超过95% ANI以红色表示。归属于Methanocorpusculaceae(b)、Methanomassiliicoccaceae(c)、Methanomethylophilaceae(d)和Methanobacteriaceae(e)的基因组热图。从人类肠道微生物组中分离的基因组(在x和y轴上标记为黄色)可以与从环境中分离的基因组(在x和y轴上标记为绿色；补充表12)分离。环境古细菌基因组聚类用黑色方块标记。 

8. 古菌组与肠道环境的功能和代谢相互作用 

本研究分析了可能表明与人类相关的GIT古细菌与其肠道环境的高级相互作用的特定特征(宿主和非古细菌微生物组；图1)。与氧化应激相关基因的缺失被认为是宿主关联的一个特征，因为环境菌株必须面对非永久性的、严格的厌氧条件，而栖息在GIT的菌株则不是这种情况。因此，我们分析了抗氧相关基因(过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧还蛋白、红素氧还蛋白和硫氧还蛋白)的存在。在部分Methanomassiliicoccales(主要是Methanomassiliicoccus)、Haloarchaea以及Methanobrevibacter arboriphilus和Methanobacterium spp.中检测到过氧化氢酶。在Haloferax和Halorubrum属中很少检测到超氧化物歧化酶的存在。除M. arboriphilus外，其他Methanobrevibacter均不携带过氧化物酶基因。

相比之下，在大多数基因组中检测到硫氧还蛋白和红素氧还蛋白(图1)。 其他有趣的附加功能是粘附素和胆盐水解酶(即胆酰甘氨酸水解酶(CGH))。粘附素或粘附素样蛋白较常被观察到(图1)。在27种古细菌中有11种检测到CGH同源物，其中5种最普遍(M. smithii、'Ca. M. intestini'、M. stadtmanae、M. alvus和'Ca. M. homini')。在Methanomassiliicoccus基因组和Haloferaceae中均未检测到CGH基因，表明它们对人类肠道特化作用的重要性。应该注意的是，在Methanomassiliicoccales、Methanomicrobiales和Methanobacteriales中检测到的CGH基因在细菌胆汁盐水解酶基因树中形成了单独的簇(扩展数据图10)，表明它们可能来自水平基因转移(HGTs)的不同事件。 

在代谢水平上观察到了更多适应性。除了产甲烷的关键成分，甲基辅酶M还原酶(MCR)和异二硫化物还原酶/[NiFe]氢化酶(Hdr/Mvh)复合物外，主要的肠道产甲烷菌(Methanobacteriales和Methanomassiliicoccales)具有非常独特的产甲烷途径(图6和补充表13)。例如，与所有Methanomassilicoccales不同，所有人类肠道Methanobrevibacter spp.都有利用甲酸盐和H2/CO2的遗传潜力。然而，83%的产甲烷MAGs(包括Methanobacteriales和Methanomassilicoccales)具有mtaABC基因，提供了利用甲醇的遗传潜力。两种主要的Methanobrevibacter spp.均携带mtaABC基因，而罕见的4种物种不携带这些基因，这强烈表明甲醇利用可能在人类肠道中提供选择性优势。然而， Methanobrevibacter spp.在何种条件下利用甲醇，它是作为产甲烷底物还是进入合成代谢途径仍有待阐明。 两种主要的Methanobrevibacter spp.还显示了利用醇(可能是仲醇和乙醇)作为产甲烷电子供体的遗传潜力。如前所述，其中一种Methanosphaera spp.可能还具有用乙醇还原甲醇以产生甲烷的遗传能力，但在我们的分析中只出现过一次，而M. stadtmanae不能执行此途径。 大多数(11/13)与GIT相关的Methanomassilicoccales物种编码MttBC甲基转移酶和TMA产甲烷所需的类咕啉蛋白。这种能力使他们能够降低这种由肠道微生物群产生的与心血管疾病有关的分子的浓度。相对于非洲和亚洲(~40%)或大洋洲(17%)，来自欧洲和北美洲(~60%)的Methanomassilicoccales MAGs中检测到的mttBC基因比例较高(扩展数据图10)。

这些变化可能反映了这些人群和饮食习惯下微生物群中细菌TMA生产能力的不同。缺乏TMA利用能力的两个Methanomethylophilaceae物种之一(Ca. Methanoprimatia macfarlanii)也缺少MtbBC和MtmBC甲基转移酶和类咕啉蛋白(分别用于二甲胺和一甲胺的利用)。然而，该物种的几个菌株具有编码吡咯赖氨酸(pylSBCD)合成的基因，这是一种甲胺特异性甲基转移酶所独有的蛋白质氨基酸(UAG密码子编码)。因此，在这些MAGs中未检测到甲胺特异性甲基转移酶(包括利用TMA的MttBC)可能是由于基因组的不完整。其他缺乏甲胺甲基转移酶的物种，对应于Methanomassiliicoccales Mx02，也缺乏任何其他已知参与甲基化合物利用或替代甲烷生成途径的基因(补充表13)。在Methanomassiliicoccales Mx02的所有MAGs和先前获得的相关MAGs中这些产甲烷基因不存在，支持关于基于未知甲基转移酶的未知产甲烷途径或Methanomassiliicoccales中的另一种代谢途径存在的假设。因此，我们建议命名为'Candidatus Methanarcanum hacksteinii' Mx02 gen.nov., sp. nov. (代表性MAG: GUT_GENOME287001)。

图6 23种人类肠道相关Methanobacteriales和Methanomassiliicoccales的产甲烷途径。具有给定蛋白质或蛋白质复合物的物种比例由饼图表示。Methanobrevibacter sp.(n =7)、Methanosphaera sp.(n =3)、Methanomethylophilaceae (n=8)和Methanomassiliicoccus (n=5)。为清楚起见，甲酸盐和醇的利用未在电子传递体性质和电子传递中的一些中间步骤中显示。R-CH3对应于甲醇、二甲硫醚、一甲胺、二甲胺或TMA。醇可以是乙醇或仲醇。某些酶的缺失可能是由于MAGs不完整所致。

讨论

本研究通过描述1167个非冗余古细菌基因组的集合，增加了关于GIT古细菌组生物学的原始信息。我们初步建立了肠道相关古细菌多样性与人口统计学和地理模式之间的关联。然而，迄今为止许多地理位置的样本仍然不足。 由于我们的基因组收集基于为分析微生物组的细菌组成而加工的公开数据集，因此可能缺少大量需要专门的细胞裂解和DNA提取等方法的古细菌。此外，因为一些古细菌已被证明可以形成生物膜并粘附在上皮细胞上，对粪便样本进行测序不一定代表肠道中物种的完全多样性。此外，由于我们收集的几个分类群仅由单个基因组代表体现，因此需要其他同种菌株来进行深入分析。

因此，我们还远未捕捉到GIT古细菌组的整体多样性。 人类肠道微生物组中观察到的古细菌的总体百分比(~1.2%，补充表2a)与最近报道的基于16S rRNA基因和鸟枪宏基因组信息的平均百分比一致。人类肠道中产甲烷古菌的丰度高度可变，由两种人类生理类型为代表，即甲烷排放者(呼吸中甲烷>5 ppm，约占西方人口的20%；整个微生物GIT群落中的古细菌特征为2%)和非排放者(古细菌特征0.002%)，呼出的这种气体量可以忽略不计。迄今为止，高甲烷排放物和低甲烷排放物的这些显著差异对宿主生理的影响尚不清楚，但这被认为与健康和疾病有关。 现在所展示的基因组集和180万个假定蛋白的目录可以作为一个独特的来源，用以产生未来研究中需要解决的假设。

这包括以下方面：(1)古细菌生理和代谢；(2)独立生存的、动物和人类宿主相关的古细菌的详细比较和区分，包括HGT层面；(3)细菌微生物组和病毒组的相互作用；(4)古细菌与人类宿主的相互作用类型。此外，考虑到在人类肠道宏基因组中检测到的27种古细菌中只有9 种具有培养的样本，我们所提供的资源可以作为针对性地培养以前未培养的古细菌及其病毒组成员的起点。 由于元数据缺少和统计能力有限，在本研究中，建立古细菌基因组多样性与人类生活方式或疾病之间的显著关联具有挑战性。因此，由实验驱动且设计良好的研究将有助于阐明古细菌对人类健康的影响。

此外，结合转录组学和蛋白质组学数据有利于进一步加强基因组预测，并提高我们对古细菌生理和宿主适应性调节的理解。未来研究还应尝试将数据集扩展到胃肠道环境之外，甚至扩展到其他人体部位和宿主中。 综上所述，本研究很大程度地促进了我们对人类GIT微生物组这一复杂的多域细菌、古细菌、真菌和病毒网络的理解。所有微生物都在肠道生态系统中共同进化和适应，因此从整体上研究这些动态的多界相互作用将为肠道微生物组在健康中的作用提供重要的见解。

打赏