宏病毒組分析揭示炎症性腸病中的「暗物質」

2021-01-08 美格基因

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%)。

請點圖1 Norman等人的共享病毒特徵比較

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。

圖2 Norman等人的病毒組成比較

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。

距離微生物組學前沿線上研討會還有3天,報名通道敬請關注美格基因公眾號。美格基因預告|第三屆微生物組學前沿線上研討會

相關焦點

  • 炎症性腸病系列講座第五期「幹細胞移植治療早髮型炎症性腸病」|...
    炎症性腸病是指原因不明的一組非特異性慢性胃腸道炎症性疾病,它包括了潰瘍性結腸炎、克羅恩病以及未定型的炎症性腸病。大約有15%~20%的炎症性腸病的患者為兒童,兒童的炎症性腸病並不是成人炎症性腸病的一個早期階段,它和成人炎症性腸病有著諸多方面的一個差異。
  • 上海生科院揭示組蛋白 H3K27 三甲基轉移酶 EZH2 在炎症性腸病中
    過度炎症反應以及腸上皮細胞凋亡是導致炎症性腸病的主要原因。Anti-TNFa 抗體目前已在臨床上用於治療炎症性腸病。TNFa 信號通路一方面可以激活 NF-kb 而導致過度的炎症反應,但另一方面 NF-kb 信號的激活也會促進上皮細胞的存活。因此,TNFa 信號如何促進腸炎的發生發展還有待進一步闡明。
  • 泛素化修飾異常的NLRP3炎症小體導致早發性炎症性腸病的新機制
    責編 | 酶美  早發炎症性腸病(VEOIBD)是炎症性腸病(Inflammatory bowel disease,IBD)的一種嚴重形式,多發生於6歲以下的嬰幼兒中,其主要特徵為反覆出現的腸道炎症,易出現對糖皮質激素的依賴性或對TNF-α抗體的無效性。
  • ...潰瘍性結腸炎|炎症性腸病|造血幹細胞|移植|基因|兒童|-健康界
    炎症性腸病是指原因不明的一組非特異性慢性胃腸道炎症性疾病,它包括了潰瘍性結腸炎、克羅恩病以及未定型的炎症性腸病。大約有15%~20%的炎症性腸病的患者為兒童,兒童的炎症性腸病並不是成人炎症性腸病的一個早期階段,它和成人炎症性腸病有著諸多方面的一個差異。
  • IL23信號通路:炎症性腸病(IBD)治療的新靶標
    首頁 » 免疫學 » IL23信號通路:炎症性腸病(IBD)治療的新靶標 IL23信號通路:炎症性腸病(IBD)治療的新靶標
  • 功能基因組學的預測網絡模型識別炎症性腸病的調節因子
    題目英文:A functional genomics predictive network model identifies regulators of inflammatory bowel disease題目中文:功能基因組學的預測網絡模型識別炎症性腸病的調節因子
  • 益生菌Probio-Fit通過調節腸道菌群輔助治療炎症性腸病(IBD)
    炎症性腸病(IBD)是一種特發性腸道炎症性疾病,主要發病部位是迴腸、直腸和結腸。具體的臨床表現為腹瀉、腹痛,甚至可有血便,病程漫長且經常反覆。本病主要包括兩種類型,即潰瘍性結腸炎(UC)和克羅恩病(CD)。潰瘍性結腸炎(UC)是炎症性腸病(IBD)中最為普遍的一種,主要是結腸黏膜層和黏膜下層連續性炎症,疾病通常先累及直腸,逐漸向全結腸蔓延。
  • Nature:研究人員找到炎症性腸病的分子基礎
    最近,來自德國科隆大學和美因茲大學的研究人員,在義大利的歐洲分子生物學實驗室和她們的同事,最近破譯了引發慢性腸道炎症的分子學密碼.這項研究已經發表在最近的自然雜誌網絡版,表明了一個在老鼠身上測試的單獨分子引發的腸道炎症和一些分子機理,它可以作為人類炎症性腸病的基礎.
  • 宏病毒組個性化分析之目的基因譜系分析
    今天給大家介紹宏病毒組目的基因譜系分析,探尋目的基因之間的相關性!一、目的基因譜系分析目的基因譜系分析是通過對物種中所關注的目的基因序列建立進化樹來分析物種間系統發育的關係。物種進化樹中分支的長短表示進化距離的差異,進化關係越近的物種,在進化樹中的距離越接近。
  • 全球炎症性腸病流行病學:2020年至2050年預測
    應聘全職及兼職編輯,發送簡歷至 chenlf@high-med.com 趙靈逸 沈駿 上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院消化內科 上海市消化疾病研究所 上海市炎症性腸病研究中心
  • 影響炎症性腸病患病風險的環境因素: Meta分析傘形綜述 | IBD專題
    影響炎症性腸病患病風險的環境因素: Meta分析傘形綜述 文獻來源:Gastroenterology. 2019 Sep;157(3):647-659.e4 既往的觀點與實踐
  • 「腸道潰瘍」除了炎症性腸病,還可能是這種病,很容易漏診
    全腹部CT示:1.回盲部腸壁增厚,闌尾根部顯示不清,闌尾增粗,建議強化掃描;回盲部周圍稍大淋巴結;2.少量盆腔積液;宮腔節育器。2018年4月21日複查胃鏡示:慢性非萎縮性胃炎;腸鏡示:回盲瓣潰瘍性質待定,病理示:黏膜慢性炎症活動期,並見壞死及肉芽組織。
  • 炎症性腸病是怎麼回事?提醒:這幾個治療方法,可調節腸道菌群
    其中成年人很容易出現的一類腸道疾病就是炎症性腸病,與飲食、遺傳和繼發感染等因素有關,包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病。由於該組疾病與人們精神壓力、日常飲食有密切關聯,發病率較高,所以需要加強對炎症性腸病的醫學認識,保護胃腸健康。第一、炎症性腸病的發病機制先天和後天環境因素都有可能引發炎症性腸病,包括遺傳、病菌感染、吸菸、精神刺激、用藥不當和飲食失調等多個方面。
  • Gut:結合NFkB的寡核苷酸可以抑制小鼠炎症性腸病
    研究者在4月的《腸》(Gut  2007;56:524-533.)雜誌上報告,結合核因子κB  (NFkB)的一種寡核苷酸的直接傳送可改善小鼠炎性腸病(IBD),並恢復組織內環境穩定。       美國Intermune公司的Rolf  O.  Ehrhardt博士及其同事指出,NFkB是IBD的一種主要轉錄調節物。
  • 各地區炎症性腸病患者腸道菌群特徵觀察性研究
    為了識別不同地區炎症性腸病(IBD)患者腸道菌群生物標誌物,建立預測模型,並探索其菌群功能變化特徵, 南方醫科大學珠江醫院檢驗醫學部王忠偉使用微生物組分析軟體QIIME(v1.9.1)分析腸道菌群組成和多樣性指標,使用微生物多樣性分析軟體LEfSe比較IBD患者與健康對照有統計學差異的腸菌標誌物。隨機森林法建立預測模型。PICRUSt預測菌群功能變化特徵。結果發現,IBD患者腸道菌群α多樣性顯著低於HC(Wilcoxon秩和檢驗,P<0.05)。
  • 痛苦的炎症性腸病:醫院過去找不到50例,現在一周都不止50例
    而這卻是炎症性腸病患者的生活日常——嚴重時可能每天要反反覆覆去30多次廁所,外出時要提前看好路線,尤其是廁所的位置。生活就這樣被不斷的按下暫停鍵,時間被切成不規整的碎片。預計到2025年,我國炎症性腸病(IBD)患者將達到150萬人。目前,國外專科醫生對IBD的研究已不亞於腸道腫瘤。而在中國和日韓等國家,炎症性腸病的患病人數正與日俱增。但我們對它的了解還遠遠不夠。
  • 《Theranostics》——間充質幹細胞療法配合改善炎症性腸病
    最近研究表明,間充質幹細胞聯合可注射水凝膠在治療炎症性腸病中具有重要價值。 炎症性腸病 (inflammatory bowel disease, IBD) 是一種病因尚不清楚的慢性非特異性腸道炎症性疾病,包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎,是胃腸道中除惡變外最嚴重的疾病之一。IBD的發生可能與感染、免疫、遺傳、精神、環境等多種因素有關。
  • 中國炎症性腸病新藥!武田全球唯一腸道選擇性生物製劑Entyvio(安吉...
    2020年03月15日/生物谷BIOON/--武田中國近日宣布,一款全新機制的人源化腸道選擇性生物製劑Entyvio(安吉優®,vedolizumab,注射用維得利珠單抗),獲得國家藥品監督管理局(NMPA)批准正式進入中國,獲批適應症為對傳統治療或腫瘤壞死因子α(TNFα)抑制劑應答不充分、失應答或不耐受的中重度活動性潰瘍性結腸炎和克羅恩病的成年患者。
  • 科學家研究發現炎症性腸病與過度活躍的記憶免疫細胞有關
    一項新的研究將炎症性腸病(IBD)與一種持久的、過度活躍的免疫細胞聯繫起來。 IBD 根據疾病控制和預防中心(CDC),IBD是兩種疾病的通稱,涉及一個人胃腸道的持續炎症。 胃腸道從口到肛門,包括食道、胃、小腸和大腸。胃腸道的最後一部分是直腸,它通向肛門。 與IBD有關的兩種疾病是克羅恩病和潰瘍性結腸炎。
  • 王江濱:炎症性腸病與慢性肝臟疾病的關係及其管理策略
    吉林大學白求恩第三醫院/中日聯誼醫院近年來,由於炎症性腸病(IBD)發生率的增加,其已成為國內外消化系統疾病中的常見病,而且也在國內外消化病領域內引起廣泛重視。相關研究以及治療藥物的發展不僅大大推動了人們對IBD更深入認識,而且也推動了臨床診斷治療的進步。