期刊：Cell

IF：64.5 (Q1)
發(fā)表時(shí)間：2023.6 ??????

研究背景

????不同的生活方式會(huì)影響微生物組組成，但目前微生物組的研究嚴(yán)重偏向于西方工業(yè)化人群，其中工業(yè)化人群的特點(diǎn)是微生物群多樣性較低。為了理解工業(yè)化生活方式引起的微生物組變化，需要結(jié)合高深度的宏基因組測序來研究原始人(Hadza)微生物功能、生長動(dòng)力學(xué)和擴(kuò)散模式。文章利用351份Hadza糞便樣本,測序得到9.39T的宏基因組數(shù)據(jù)，共獲得83,044個(gè)MAG以及相關(guān)生物信息的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

????Hadza是非洲僅存的延續(xù)人類祖先覓食傳統(tǒng)的種群之一，研究對167個(gè)個(gè)體進(jìn)行糞便取樣得到351個(gè)樣本，處理后共388個(gè)DNA樣本進(jìn)行測序，同時(shí)得到經(jīng)過純化的52株細(xì)菌分離株(圖1A）。根據(jù)本研究中新恢復(fù)的基因組評(píng)估所有樣本的微生物組組成，將宏基因組數(shù)據(jù)映射到一系列定制的數(shù)據(jù)庫中，其中包含細(xì)菌/古菌(n= 5,755)、噬菌體(n=68,461)和真核生物(n=12)基因組的物種水平代表的全基因組序列(圖2E)。

主要結(jié)論

1.Hadza腸道微生物多樣性

????除了來自UHGG和MGV的數(shù)據(jù)之外，還可以從Hadza中得到未收錄的微生物占總發(fā)現(xiàn)微生物比分別為20.2%和79.9%(圖2A和2B)。此外，在Hadza腸道微生物中發(fā)現(xiàn)了未知的真核生物，共注釋到840萬個(gè)蛋白質(zhì)家族，其中59.7%不存在于統(tǒng)一人類胃腸蛋白(UHGP)數(shù)據(jù)庫中(圖2D)。
????將Hadza微生物組與其他生活方式的人群進(jìn)行比較，對尼泊爾人和加州人的糞便樣本進(jìn)行了深度宏基因組學(xué)測序。用這些MAG數(shù)據(jù)自定義了3個(gè)數(shù)據(jù)庫，用基因組數(shù)據(jù)庫來評(píng)估微生物組信息(圖2E)，包括細(xì)菌/古細(xì)菌(n=5,755)，噬菌體(n=68,461)， 真核生物(n=12)。Hadza的細(xì)菌、噬菌體和古菌的多樣性均高于本研究中的其他種群(圖2F)。總之，與其他種群相比，不同測序深度的Hadza樣本中有更多的細(xì)菌、古菌和噬菌體和未知的物種(圖2G)。

????研究利用稀釋曲線來評(píng)估隨測序深度增加物種的豐富度變化（圖 3A）。分析表明，Hadza的平均腸道微生物有730種，而加州人的平均腸道微生物有277種。高深度的測序可以檢測低豐度的微生物，所以不同豐度水平下檢測到物種的微生物組成不同和具有基因組新穎性(圖3B)。

2.Hadza樣本中發(fā)現(xiàn)在工業(yè)化進(jìn)程中已經(jīng)消失的腸道微生物種群

????本研究通過18篇已發(fā)表文獻(xiàn)，利用一共1800個(gè)數(shù)據(jù)，包括工業(yè)化人群樣本950個(gè)，過渡人群樣本583個(gè)，Hadza樣本135個(gè)和其他狩獵采集者樣本132個(gè)，根據(jù)細(xì)菌/古菌在Hadza和工業(yè)化種群的富集情況將其分為VANISH（工業(yè)化中消失的，124個(gè)）和BloSSUM（工業(yè)化中受到選擇的，63個(gè)）兩個(gè)分類群，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)育與工業(yè)化進(jìn)程存在強(qiáng)相關(guān)性（圖4a-c），在過渡的人類腸道環(huán)境中，BloSSUM類群可能比VANISH類群具有競爭優(yōu)勢。

????基于個(gè)體KEGG分析確定了37和 268個(gè)在VANISH和BloSSUM中常見的基因（圖4 e)。與VANISH分類群最相關(guān)的是肽酶和產(chǎn)孢基因，而BloSSUM類群與抗氧化和氧化還原有關(guān)。研究將這些KO聚集到通路中繪制集富集分析圖(圖4F)。富集的KOs的相關(guān)功能和通路的差異表明，與VANISH類群相比，BloSSUM類群在功能上并不冗余。

3.Treponema succinifaciens的分布反映人類的遷移

????在Hadza、尼泊爾人和加州人樣本上進(jìn)行的深度測序得到 1,047 個(gè)新的 Spirochaetota MAG，MAG的相對豐度隨著工業(yè)化程度的提高而降低。Treponema Succinifaciens在工業(yè)化群體中幾乎完全不存在，本研究中發(fā)現(xiàn)的 該物種MAGs 數(shù)量從 125 個(gè)增加到 346 個(gè)，并對該物種進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析（圖 5C），從進(jìn)化數(shù)據(jù)觀察到Treponema succinifaciens的傳播模式與人類遷徙路線一致。

4.Hadza腸道微生物的進(jìn)化、復(fù)制和擴(kuò)散

????采取更深度測序和更新穎的宏基因組方法再次確認(rèn)了Hadza腸道微生物的組成和碳水化合物活性酶確實(shí)存在季節(jié)性循環(huán)，深度測序首次測量原位復(fù)制率在Hadza腸道中也表現(xiàn)出季節(jié)性循環(huán)。為了闡明Hadza微生物群中具有不同選擇壓力的基因，對全基因 pN/pS 比率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)存在正向或多樣化選擇（圖 6A）。這可能是由于腸道中的動(dòng)態(tài)變化，如季節(jié)性飲食變化、宿主免疫系統(tǒng)和躲避病毒入侵。研究還進(jìn)行了ANI分析，發(fā)現(xiàn)家族個(gè)體共享的同源性菌株多于非同源性菌株，比無血緣關(guān)系的個(gè)體的個(gè)體共享更多高度相關(guān)的菌株（圖 6C）。

結(jié)論

? ? ? ?綜上所述，通過對Hadza人群糞便進(jìn)行超深度宏基因組測序，研究結(jié)果表明：

1、組裝了數(shù)千種未知的人類腸道細(xì)菌、古菌、真核生物和噬菌體；?

2、與生活方式相關(guān)的VANISH和BloSSUM分類群的不同功能鑒定；?

3、Hadza腸道微生物的復(fù)制率變化呈季節(jié)性循環(huán)，菌株共享模式與其獨(dú)特的社會(huì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

Carter et al., Ultra-deep sequencing of Hadza hunter-gatherers recovers vanishing gut microbes, Cell?2023