文献解读：宏病毒组研究热点分析_小言_互联网的博客

文献解读：宏病毒组研究热点分析

2021-02-09 18:54 385人阅读评论(0)

1. 研究病毒的起源，能够了解疾病起源及进化过程

①病毒的组成及其与基因型/表型关系的关系

噬菌体很少编码抗生素抗性基因：病毒组分析的警示
抗生素抗性基因（ARGs）普遍存在于肠道菌群中，但目前尚不清楚ARG多久转移一次，特别是转移到病原体上。传统上，ARG传播归因于DNA转化，细菌结合或广义转导介导的水平转移。但是，最近的病毒基因组分析表明，噬菌体经常携带ARG，这与传统的观点认为噬菌体基因组很少编码ARG所不一致。在这里，作者使用了文献中发现的探索性和保守性生物信息学策略来检测噬菌体基因组中的ARG，并实验性地评估了使用探索性阈值预测的ARG的子集。由于探索性阈值的低相似性和与与抗生素抗性无关的蛋白质的匹配，使用探索性阈值（预测为421个，已知为2个）大大高估了1181个噬菌体基因组中的ARG丰度。与此相一致，对使用探索性阈值预测的四个ARG进行了实验评估，未能在大肠杆菌中产生抗生素耐药性。对可用的人类或小鼠相关病毒进行ARG及其基因组背景的重新分析表明，先前归因于病毒噬菌体的真正ARG被高估了。这些发现为病毒性ARG的记录提供了指导，并再次证明ARG在噬菌体中很少编码。

图1：针对不同抗生素耐药基因数据库的参考噬菌体蛋白质组分析。

图2：四个预测的ARG的实验测试。

图3:A.23个未组装病毒体中细菌DNA含量的水平。

②对病毒的进一步分析可能会为作者自身基因组的结构和进化提供独特的见解（在作者的基因组中存在着许多已知的DNA和RNA病毒类型的“化石”残骸，反映了真核病毒在基因转移和进化中的作用。重要的是，这些内源性病毒元件可能调节基因表达，参与诱变事件并编码具有重要功能的蛋白质的mRNA（Feschotte和Gilbert，2012；Holmes，2011；Patel等，2011））。
③通过从病毒读物中收集的81个新的完整基因组的集合分析微病毒科病毒家族的进化和多样性。

最近的研究表明，Microviridae（ssDNA噬菌体家族）的成员可能在广泛的环境中发挥重要作用，因为它们在海水和人肠样品的病毒部分中被大量发现。迄今为止，已经描述了24种完全测序的微病毒科，分为三个不同的组，分别称为微病毒，Gokushovirinae和Alpavirinae，最后一组仅由噬菌体组成。在这项研究中，作者目前对81种新的完整微病毒科基因组进行了分析，这些基因组由源自各种生态系统的病毒元基因组组装而成。核心基因的系统发育分析突出了四组的存在，证实了迄今为止描述的三个亚科，并展示了一个新的组，称为Pichovirinae。这些病毒的基因组组织与它们的系统发育有着显着的一致性，Pichovirinae是该家族中唯一具有三个核心基因不同组织的群体。对主要衣壳蛋白的结构分析表明，除微病毒外，所有组中均存在蘑菇样插入物。此外，在10个微病毒科中发现了一种肽酶基因，其分析表明这些病毒与其细菌宿主之间发生了几次水平的基因转移。这是在微病毒科中这种基因转移的首次报道。最后，对病毒基因组的搜索揭示了各种生物群系中高度相似的序列的存在，这表明微病毒科可能在这些生态系统中起着重要作用，并且起源已久。

图1.从主要衣壳蛋白多重比对得出的系统发生树。

图2. Microviridae中的主要衣壳蛋白（MCP）变异。

④全球RNA病毒组的起源与进化。

具有RNA基因组的病毒在真核病毒组中占主导地位，在动植物中具有巨大的多样性。变病毒组学的最新进展促使作者对急剧扩张的全球RNA病毒组的进化进行详细的系统基因组学重建。RNA病毒中唯一通用的基因是RNA依赖RNA聚合酶（RdRp）。作者开发了一个迭代计算程序，交替RdRp系统发生树的构建和底层多序列比对的细化。该树包含4617个RNA病毒RdRps，由5个主要分支组成，其中2个包括正义RNA病毒，1个是正义（+）RNA和双链（ds）RNA病毒的混合体，2个分别由dsRNA和负义（-）RNA病毒组成。这种树型拓扑结构表明，dsRNA病毒至少在两个独立的场合从+RNA病毒进化而来，而-RNA病毒是从dsRNA病毒进化而来的。以RdRp树为支架重建RNA病毒进化过程表明，+RNA病毒主要分支的最后共同祖先只编码RdRp和一个jelly-roll capsid蛋白。随后的进化包括独立捕获额外的基因，特别是那些编码不同RNA解旋酶的基因，使更大的RNA基因组得以复制，并促进病毒基因组表达和病毒与宿主的相互作用。系统基因组分析揭示了不同病毒之间广泛的基因模块交换和远亲宿主间的水平病毒转移。虽然RNA病毒组内的进化关系网络必将进一步扩大，但目前的结果要求对RNA病毒的分类进行彻底的重新评估。

图1 RNA病毒中基因共享的二分网络。

图2 RNA病毒进化的一般情况。

2.人类体内宏病毒组分析研究揭示疾病病理，为预防疾病指明新的道路

微生物组内病毒的相互作用：这些与病毒组的跨域相互作用的存在意味着理解哺乳动物生物学的某些方面，包括疾病的治疗或预防，很可能需要详细定义病毒组及其在哺乳动物生理学中的作用。

人体病毒由存在于人体中的所有真核和原核病毒组成。由于每个人体隔室构成不同的微环境，病毒体随人体部位而变化。此外，其他因素也会影响病毒的组成，例如年龄，饮食和微生物组其他成分的存在。病毒学研究利用了下一代测序技术的发展，并允许在健康和患病个体中发现新型病毒以及鉴定病毒，从而使病毒与特定疾病相关联。病毒研究的最有趣的进展也许是病毒与微生物组的其他成分（特别是细菌）之间的相互作用，可以上调或下调抗病毒免疫反应，从而调节病毒的感染性。这种关系是互惠的，因为病毒可以反过来调节细菌感染。在宿主遗传学背景下，病毒与微生物组其他成员之间的复杂相互作用及其对患者健康状况的影响刚刚开始调查，尚未完全了解，但迄今为止的发现表明该法规病毒和微生物组其他成员的免疫应答的变化会影响感染的结果。

图1 细菌组组成调节病毒感染性

①用单病毒基因组学和亚基因组学方法破译人类病毒组
单细胞基因组学揭示了生活在不同环境（包括人体）的优势微生物的代谢潜力。缺乏人体主要微生物（如噬菌体）的基因组信息，阻碍了作者回答有关病毒群落基本问题的能力。在这里，作者将单病毒基因组学（SVGs）与病毒基因组学相结合，对口腔病毒群落结构进行了深入研究。对唾液样本进行病毒基因组学（n=15）和SVGs（n=3）处理。对1328株未培养的单株病毒进行荧光激活病毒分选，然后进行全基因组扩增。对24个病毒单扩增基因组（vSAGs）的测序表明，其中一半的vSAGs含有病毒标志基因。在这些真正的病毒中，假定感染口腔链球菌样种的未培养的92-C13单一病毒是口腔病毒组中最丰富的10种病毒之一。病毒基因网络和病毒亚基因组学分析表明，唾液病毒初步构成约200个主要病毒簇，对应于近似属级的类群。数据显示，除放线菌噬菌体外，所有公开获得的病毒分离物在口腔病毒体中均不明显丰富。此外，从本研究中获得的病毒性contigs和vSAGs在所有病毒体中均不存在。总的来说，数据表明，大多数病毒分离物在唾液中不是天然丰富的，而且口腔中的主要病毒尚未鉴定出结果。结果表明，病毒的分布是可变的、复杂的和人际关系的。最后，作者展示了SVGs结合病毒基因组学揭示人类病毒组未培养病毒的遗传信息的能力。

图1 排序的单一病毒vSAG 92-C13的基因组注释。链球菌噬菌体内保守的ORF用星号（*）表示。饼形图描绘了vSAG 92-C13的带注释的蛋白质的最接近属（参见方法以了解详细信息）

图2 口腔中病毒的丰富性和普遍性
图3 口腔病毒的蛋白质共享病毒网络

②粪便病毒组移植减轻鼠模型中2型糖尿病和肥胖的症状
目的：肥胖和2型糖尿病（T2D）的发展与肠道菌群（GM）的改变有关。肠道病毒群落以噬菌体为主，噬菌体是以宿主特异性方式攻击细菌的病毒。噬菌体的拮抗行为具有改变GM的潜力。作为一个概念证明，作者证明了来自瘦供体的粪便病毒移植（FVT）可以将肥胖小鼠的表型转变为更接近瘦小鼠的表型的有效性。

实验设计：FVT由具有不同特征的病毒组成，这些病毒是从不同供体小鼠的盲肠中提取的，这些小鼠接受了低脂（LF）饮食14周。将雄性C57BL / 6NTac小鼠分为五组：LF（作为饮食控制），高脂（HF）饮食，HF +氨苄青霉素（Amp），HF + Amp + FVT和HF + FVT。在研究的第6和第7周，通过口管饲喂FVT治疗HF + FVT和HF + Amp + FVT小鼠。在首次FVT治疗前24小时，对Amp组进行Amp治疗。

结果：
首次FVT后六周，与HF组相比，HF + FVT小鼠的体重增加显着减少。此外，LF和HF + FVT小鼠之间的葡萄糖耐量相当，而其他HF组的葡萄糖耐量均受损。这些观察结果得到了与肥胖和T2D发育相关的GM组成，血浆代谢组和基因的表达水平显着变化相关的支持。

结论：
与瘦小鼠相比，将肠道病毒群落从具有瘦型小鼠转移至肥胖表型的小鼠可导致体重增加减少和血糖参数正常化。作者假设这种作用是通过FVT诱导的GM变化介导的。

③全面的病毒组分析揭示了重症和轻度手足口病患儿病毒谱的复杂性和多样性
手足口病（HFMD）流行的管理是困难的，因为非EV71和非CVA16肠道病毒的频繁出现和一些病例手足口病相关病原体检测呈阴性。为了阐明轻、重度手足口病的病毒谱，采用新一代测序技术（NGS）对238份样本进行了病毒组综合分析。数据显示共有13个哺乳动物和植物病毒家族和不同的病毒种群，包括肠道病毒、常见呼吸道病毒、腹泻相关病毒、植物病毒和anello病毒。在严重病例中，共鉴定出7个病毒家族的18个病毒，而在轻度病例中，12个病毒家族的37个病毒。此外，肠道病毒与常见呼吸道病毒的复合感染主要见于重症患者（P=0.013），腹泻相关病毒主要见于轻度病例（P<0.001）。本研究初步了解手足口病轻、重病例中的病毒体，有助于手足口病病原的检测和预防。

图1。在手足口病患者中发现的不同病毒家族分布。A，从严重的HFMD样本库中识别出的病毒读数被分为7个病毒家族。括号中标出了每个病毒家族相对于所有读物的相对丰度之比。B，从轻度HFMD样本库中鉴定出的病毒读数被分为12个病毒家族。括号中标出了每个病毒家族读数相对于所有读数的相对丰度之比。