日期：2020/12/16
雜誌：Genome Biology
雜誌影響因子：10
原文標題：Metapangenomics of the oral microbiome provides insights into habitat adaptation and cultivar diversity
原文連結：https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-02200-2
來源：美國Harvard University
摘要
每年3月20日是「世界口腔健康日」。口腔微生物與齲齒，牙菌斑，牙結石，牙周病，口腔黏膜潰爛都有著密切關係。國際大型合作項目HMP從測試人群採集口腔各個部位細菌作為樣品進行分析，了解不同微生物結構。
在口腔中，大多部位以鏈球菌 (Streptococcus)為主，其中頰黏膜中為嗜血桿菌 (Haemophilus)，齦上牙菌斑為放線菌 (Actinomyces)，齦下牙菌斑為普雷沃氏菌 (Prevotella)。
研究人員檢查了人類口腔微生物組，發現了生活在口腔某些區域的細菌亞群的巨大變異性。 在許多情況下，能夠鑑定出少數基因，可以解釋特定細菌群體的棲息地特異性。細菌通常表現出很強的生物地理學性質，一些細菌在特定位置富集而其他細菌則不富集。在將微生物學應用於治療時，比如採用益生菌時引發的主要問題是細菌是否進入了錯誤的地理位置？ 以及我們如何將正確的細菌添加到正確的位置？該問題其實存在一個很大的障礙，細菌是如此之小，數量眾多，並且具有非常多樣和複雜的種類，這對理解哪些細菌亞群生活在何處以及哪些基因或代謝能力使其在這些「錯誤的」地方壯成長提出了重大挑戰。該項新研究中，出於對細菌如何花粉棲息地以及在人體內的構型充滿好奇，由哈佛大學領導的微生物生態學研究人員檢查和研究了人類口腔微生物組，發現了生活在口腔某些區域的細菌亞群的驚人變化。
內容
得力於最新的測序和分析方法，可以更好地了解口腔微生物組，提供了解決細菌群落複雜性的新方法。作者闡明了，口腔是研究微生物群落的理想場所，代表了腸道的開端，同時也是一個非常特殊的微小型環境，口腔中的微生物多樣性能夠涵蓋有關微生物群落以及進化的有趣問題。口腔在不同區域包含數量驚人的特定微生物。 例如，在舌頭上發現的微生物與在牙齒上的牙菌斑上發現的微生物非常不同。每個人舌頭微生物與生活在別人舌頭上的微生物也是存在差別的。該研究小組應用了公共資料庫並下載了100個基因組，這些基因組代表了口腔中常見的四種細菌，副流感嗜血桿菌和Rothia屬的三種口腔物種，並將其用作基因組參考，以調查其數百名志願者口腔中的這些已知的微生物的「親屬」，該計劃歸屬人類微生物組計劃（HMP）。他們以這些參考基因組作為起點，來探究生活在口腔中數以萬億細菌細胞之間的遺傳變異情況。
這裡使用一種新開發的方法，稱為超泛基因組學（metapangenomics），它將泛基因組（pangenomics；在一組相關細菌中發現的所有基因的總和）與宏基因組學（對來自社區中所有細菌的總DNA進行研究）相結合，使研究人員能夠進行 對微生物基因組的深入檢查，這產生了令人震驚的發現。即口腔微生物存在巨大的變異性，作者表示對口腔不同部位的變異性感到震驚。 特別是在舌頭，臉頰和牙齒表面之間。在鑑定出一些確實很強的細菌候選物之後，便可以對這些假設進行實驗性的測試微生物棲息地的要求，以使有益微生物進入指定的棲息地。
Metapangenome工作流程
超泛基因組學（metapangenome）提供了基因如何在參考基因組和宏基因組中分布的綜合概述。圖1顯示了如何使用anvi』o 和Delmont和Eren所述的方法將分離的基因組和口腔宏基因組組合成一個全基因組的概念示意圖。
圖1
副流感嗜血桿菌由多個亞組組成
副流感嗜血桿菌的超基因組學分析揭示了隱藏的多樣性和特定於棲息地的亞組。副流感嗜血桿菌是一種明顯的口腔細菌，因為它在人的口腔內的多個部位都既豐富又普遍。以前的報導表明，在口腔內可能存在基因組不同的亞群。 為了調查以測序的培養菌株為代表的全基因組水平副流感嗜血桿菌種群的基因組結構，作者從NCBI RefSeq下載了33個高質量的分離基因組。 這些基因組在9個機構中進行了長達8年的測序，列出了從痰液到血液的分離來源，還有許多來自未指定的身體部位。從這33個基因組構建了一個泛基因組（圖2）。對該泛基因組的檢查（總共4318個基因簇）顯示出一個大的核心基因組，涵蓋泛基因組的35％（N = 1493個基因簇），如圖2所示（9點至12點之間的連續黑條）。圖中心的樹狀圖根據基因組在整個基因組中的存在/不存在來組織基因簇，從而從視覺上將核心基因組與輔助基因組分開。輔助基因組由單個分離基因組獨有的943個基因簇（佔泛基因組的22％）組成，如圖3到5點之間所示，而1882個基因簇（佔泛基因組的44％）由某些人共享但不共享所有分離的基因組，顯示在該圖的5點至9點之間。在功能上，雖然核心和輔助基因組包含大多數COG類別的代表，但組成差異很明顯，主要是由於核心基因組中功能未知的基因較少，而輔助基因組中的保守功能（如翻譯）較少。當基因組本身根據它們共享的基因簇的數量和身份聚類時，它們被分為三組（第1-3組），這三組以共享的基因簇塊區分（圖2）。圖右上角的樹狀圖（圖2）顯示了聚類的地形，該樹狀圖中的主要分支點將各組分開。 在所有基因組中，基因組完整性> 99％，冗餘度<< 10％（圖2，中間兩個灰色條形圖），表明觀察到的分組不是基於基因組組裝的質量。代表了副流感嗜血桿菌亞群的基因簇的塊構成了基因組的相對較小的部分。
圖2
採用超基因組學策略的主要好處是，它夠確定哪些基因和品種最能代表給定自然棲息地中生長的微生物群。 使用超基因組學來查詢來自人類口腔內的超基因組中Rothia和副流感嗜血桿菌全基因組的每個基因，並測量整個環境中每種變體基因的豐度。 這些數據可以作為指導選擇最具有環境代表性的菌株和基因序列以供將來實驗的資源。
總結
所看到的每個環境都有這些非常複雜的細菌群落。 口腔微生物與口腔疾病密不可分，研究告訴我們哪些微生物需要清除或重新添加。這項研究和類似研究可以為口腔微生物在人類健康中的作用提供新的見解。能夠識別棲息地適應性背後的特定基因的能力在微生物生態學上非常重要。
參考及插圖來源：http://toolsbiotech.blog.fc2.com/blog-entry-103.html
本文來自公眾號生物醫學科研之家，作者酷酷酷夏ry。
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