本期佳作作者通過對公開資料庫中的病毒組序列重新分析,鑑定出了IBD患者的腸道病毒組的特異性變化,並發現腸道病毒組的變化反映了腸道細菌的變化。另外,美格基因現已推出宏病毒組3.0版本,更加豐富的分析內容,更加個性的定製分析,期望為您的研究帶來全新不一樣的體驗,敬請關注!
Whole-Virome Analysis Sheds Light on Viral Dark Matter in Inflammatory Bowel Disease
宏病毒組分析揭示炎症性腸病中的「暗物質」
作者:Adam G. Clooney 等
期刊:Cell Host&Microbe
IF: 15.753
發表日期:2019.10.19
研究手段:宏病毒組
DOI:10.1016/j.chom.2019.10.009
一、研究摘要
人腸道病毒對人體健康有重要影響。然而,大多數病毒樣本的分析是建立在有限的已知病毒片段的基礎上。本文通過對已公開的炎症性腸病(IBD)和潰瘍性結腸炎的數據進行宏病毒分析,揭示了IBD中人類腸道病毒的組成。研究者觀察到IBD特異性的病毒組的改變和克羅恩病個體中溫和噬菌體序列的增加。在IBD受試者中,病毒組成的變化反映了細菌組成的變化。
此外,結合細菌組和病毒組數據可更好的區分健康者和疾病患者。這種分析整個病毒組的方法了揭示了IBD信號的重要性,對未來開發生物標誌物和疾病治療有重要意義。
二、相關背景
炎症性腸病(IBD)包括克羅恩病(Crohn′s disease,CD)和潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis,UC),是一種腸道的慢性疾病,雖然炎症性腸病的病因目前尚不清楚,但它是一種多因素的疾病,並且與人類腸道微生物組的改變有關。
Lepage等發現CD患者結腸組織活檢樣本中噬菌體病毒粒子較健康人顯著增加,CD患者有更高的噬菌體豐度。基於病毒組測序的結果顯示,CD患者腸道的病毒組與疾病狀態相關,新診斷患者糞便和活檢組織中病毒的多樣性高於復發患者。目前尚不清楚細菌豐度的下降、噬菌體豐度的增加與IBD發病的關係。CD和UC患者的病毒組中雖然有一些共有病毒,但也有一些獨特的疾病相關噬菌體,如乳球菌、乳酸桿菌、梭菌、腸球菌和鏈球菌的噬菌體。IBD患者比健康個體攜帶更多的哺乳動物病毒和人類病原體,在IBD患者病毒組中還發現了人內源性逆轉錄病毒(HERV)。HERV蛋白的表達與炎症反應有關,在感染皰疹病毒的IBD患者中,HERV的表達量更高。這種關聯對IBD的意義尚不清楚,但感染其他病毒可能會引發HERV的表達。
三、主要工作
重新分析了公開資料庫中的健康人及IBD患者腸道病毒組的數據集,這些數據來自61名健康者、27名CD患者及42名UC患者。
四、主要結果
1、重新分析在聚類上較好的克服了個體差異
本研究採用新的分析方法對序列進行過濾和組裝,重新分析了已發表的健康者和IBD患者腸道病毒的資料庫。在之前Norman等人的研究中,個體本身是分離和組合縱向樣本的主要驅動因素(圖1A)。但是個體特異性掩蓋了各組間病毒組的成分差異,各組間(對照組、CD組和UC組)幾乎沒有差異。主坐標(PC)軸1和2變化較少(4.85% 和3.59%) ,這表示病毒樣序列(virus-like seuences,VLSs)疾病特異性的變化不顯著(β多樣性模式在各種指標上可重複)。為了進一步確定聚類的VLSs是否能克服個體間差異,研究者繪製了VLSs 和VCs之間共有的病毒特徵的相對豐度(圖1C),結果顯示,30%的個體間共同的序列僅佔病毒組的一小部分(相對豐度1.7%- 4%),50%以上的個體間沒有共同的VLSs。相比之下,在VC水平上,個體間差異不顯著,個體特有VC的比例較低(相對豐度為1.3% ~3%)。
2、IBD特異性的腸道病毒組變化
在Norman等人研究的資料庫中,不同疾病狀態間的差異並不顯著,這可能是由於樣本量較小的原因(PERMANOVA, p > 0.05)。由圖A可知,PCoA並未區分復發或緩解狀態,表明CD組和UC組的β多樣性與健康對照組間存在顯著差異(PERMANOVA, p = 0.0002)。與之前的研究結果相反,當使用VC計數表時,各組或各疾病狀態的病毒組豐富度沒有顯著差異。當只考慮VC分類為尾狀病毒目(Caudovirales)(圖2C)時,CD組的豐富度顯著高於健康對照組(Wilcoxon檢驗,p = 0.024)。此外,儘管在對該資料庫的重新分析中發現了屬於指環病毒科(Anelloviridae)的病毒,但在對照組CD組和UC組中未觀察到顯著的豐度差異,這與之前的研究相矛盾(Wilcoxon檢驗,p > 0.05)。
差異豐度分析發現,與對照組相比,CD組增加了37個VCs, UC組增加了34個VCs。此外,IBD中共有17個被劃分為長尾噬菌體科(Siphoviridae)的VCs(CD組中有9個,UC組中有8個),相對於健康組有所增加,這一結果進一步支持了溫和噬菌體豐度增加與疾病相關的理論。新的分析鑑定出許多未知的病毒序列,並發現健康人的腸道病毒組中以由烈性噬菌體組成的穩定核心為主。
3、結合細菌組和病毒組數據可更好的區分健康和疾病患者
文章最後通過機器學習(machine learning)測試了病毒組和菌群組成對IBD患者和健康對照組的區分能力。通過合併CD和UC樣本來增加樣本量,形成一個複合的IBD序列。最重要的兩個致病因子分別與毛螺菌科 (Lachnospiraceae,vc39)和副桿菌屬 (Parabacteroides,vc23)相關,其餘兩個與擬桿菌屬 (Bacteroides,vc32和vc38)相關。這些發現進一步支持健康的病毒組密切反映了健康的菌群。將病毒組與16S數據進行合併,再次測量預測能力(圖3C),準確度增加到0.853 (p = 0.0026),在前20個最重要的特徵中,病毒組佔了5個。其中,4個具有CRISPR原菌,包括梭狀芽孢桿菌目。
圖3 Norman等人對健康對照組和IBD患者之間的分類
五、重要結論
1.IBD患者的腸道病毒組變化會影響腸道細菌組成的變化;
2.克羅恩病患者的腸道病毒組中溫和型噬菌體的數量增加;
3.健康者的腸道病毒組中以由烈性噬菌體組成的穩定核心為主;
4. 結合細菌組和病毒組數據可更好的區分健康和疾病患者。
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