HMP新數據：人體微生物的菌株，功能和動態變化

HMP第一期第二批數據：人體共生菌株、功能和動態變化

Strains, functions and dynamics in the expanded Human Microbiome Project

文獻ID：

發表期刊：Nature

影響因子：40.137

時間：2017-09-20

作者：Curtis Huttenhower

關鍵詞：HMP;宏基因組;人體共生菌

導讀

HMP1期的第二批數據，公布來自265人的1631個樣本，778萬個基因；

採用分析和組裝新方法鑒定個體化微生物組特徵，並明確擬桿/厚壁菌門比值不能代表菌群特異性；

不同部位的菌株有亞種分化枝特異性，單一基因組中存在系統發育多樣性不足的物種，存在共生關係的菌株；

充分鑒定出普遍存在、特定人/身體部位富集和快速/中速變化、穩定的子群；

儘管數據全面增強，但僅針對有限美國人，未充分拓展地理、遺傳背景、種族和環境，局限性猶存。

HMP與MetaHIT的區別

人類微生物組計劃（HMP）計劃是由美國國立衛生研究院啟動，旨在收集跟人體相關的所有微生物，包括腸道、口腔、陰道、皮膚等多個身體部位，側重人體健康微生物組的檢測，探討不同人的微生物組成及群落的丰度對人體的影響，從而幫助我們了解其在人類健康和疾病中的作用。人類腸道宏基因組計劃（MetaHIT）是由歐盟第七框架計劃(FP7)資助的子項目之一，致力於建立人腸道微生物基因與人體健康和疾病的關係。MetaHIT側重腸道疾病，樣本只有糞便，並提出了「腸型」的概念。

HMP1-II數據組成

HMP第一期第二批宏基因組數據含有來自265人的1631個樣本，共計2103個非冗餘的基因組、7,780,363 個基因。這些微生物分布在人體6個部位（鼻腔、口腔黏膜、牙菌斑、舌苔、糞便、陰道），增加了第二次和第三次採樣的樣本。

HMP將非培養的菌株加上NCBI中已分離的16,903的基因組作為參考基因組數據，對於測序研究較為全面的菌如Escherichiacoli與Lactobacilli與參考基因組差異不大。

第二批數據對分析、組裝方法進行了更新，並改進了參考基因組數據，物種種水平注釋包括真菌、古菌、病毒以及新添加的54個細菌，包括Methanobrevibacter,Malassezia,Candida以及幾種病毒Propionibacterium phage（鼻腔）、Streptococcus phages（口腔）、Lactococcus-targetingC2病毒（糞便）等。

菌株分布生態多樣性特徵

不同部位菌株多樣性差異比較大，採樣時間導致的差異要小於個體之間的差異，此外通過計算樣本的生態位關聯度（niche association），找出代表不同分支部位特徵的菌株亞種（要求至少在2個或以上的部位中有效覆蓋率在5個樣本以上），發現不同部位的菌株有亞種分化枝特異性。關聯度值越高，表示不同部位分布差異越大,如左下圖所示。像Haemophilus parainfluenzae（副流感嗜血桿菌）就能直接區分牙菌斑、口腔黏膜與舌苔，如圖d。其他不同部位分布有關的菌是Rothia mucilaginosa, Neisseria flavescens,以及Propionibacterium等，還有一些菌株與分布部位無關，但在不同個體之間存在較大差異，如Eubacterium siraeum或Actinomyces johnsonii等

Niche-association measure

此外，用Fisher`sexact test方法尋找具有共生模式（co-occurrencepatterns）的微生物，發現Methanobrevibacter smithii（甲烷短桿菌）與Clostridiales的幾種菌共生，包括Ruminococcus,Coprococcus, Eubacterium,及Dorea。值得注意的是口腔中丰度最高的物種Streptococcus phages（鏈球菌噬菌體）與口腔中許多鏈球菌存在共生關係，這表明腸道病毒主要是以前噬菌體（prophage ）的形式存在（與宿主細菌共生）。

核心功能通路

用HumanN2進行功能注釋，把在某一生態位中75%以上的個體均具有的功能通路定義為核心通路（core pathways）。某些核心通路參與維持最基本的細胞生命活動，所以會出現在所有的生態位中，例如輔酶A的生物合成，腺苷酸的生物合成等。而具有部位特異性的核心通路，通常是反映棲息對基因的篩選富集，例如口腔部位富集的硝酸鹽還原通路、腸道中富含的甘露糖降解通路。

時間穩定性

不同部位的特定菌，在個體之間和時間穩定性上的表現也各不相同，某些物種會在不同的生態位中都表現出相似的動態變化模式，如Rothiadentocariosa（羅氏菌）；也鑒定到了一些具有部位特異性變化模式的物種。值得注意的是，在腸道部位的擬桿菌屬顯示出了很大的個體差異性，而同一個體自身攜帶的厚壁菌則表現出較明顯的時間不穩定性。因此，以擬桿菌/厚壁菌比值不能代表菌群的特異性。

功能通路的分析發現，氨基酸合成隨時間變化較為明顯，維生素B的合成則存在較大的個體差異。腸道功能的動態變化程度較低，而口腔的變化則更快，這與它們各自所暴露的環境所要求的特性相一致。

組裝及基因家族識別

研究者採用IDBA-UD演算法來組裝宏基因組數據集。IDBA-UD是基於deBruijn圖的組裝演算法，尤其適用於測序深度不均勻的單細胞測序及宏基因組測序數據的組裝。與HMP1項目中產生的組裝片段相比，IDBA-UD所得結果在平均組裝長度、中位contig長度以及N50上均有顯著的改善。

HMP1-II項目在組裝上的另一個特色是聯合組裝（co-assemblies），即把同一個體、同一部位的所有時間點的樣本reads聯合起來進行組裝，有助於識別新基因，改善整體組裝質量(Fig.4a–c)。基於聯合組裝的結果以MetaGeneMark軟體預測基因，基因數有所增加(Fig.4d)。

功能注釋是採用Attributor軟體基於序列搜索完成的，並根據特異性將基因分類。聯合組裝預測到的基因數量更多，但其注釋的特異性與單個組裝一樣(ExtendedData Fig. 6)。同一個樣本內基於參考基因組識別的Pfam結構域的數量與基於組裝的方法的結果有很強的相關性。

小結：

HMP1-II提供並分析了迄今為止最大的人類全身宏基因組數據。研究中使用了新的菌譜分析技術、新的分類譜、新的功能分析方法，以及聯合組裝的方法，鑒定出了在某些物種中時間上穩定的亞種，細菌丰度之間的同現模式以及細菌寄居人體所需的通路。研究發現：

1. 與其它部位相比，腸道菌群的組成（尤其是擬桿菌）表現出了高度個性化的特點。並揭示了腸道擬桿菌/厚壁菌比例並不能作為個體腸道微生物組的一個決定性的屬性；

2. 個體在擬桿菌中具有一種「個人平衡」，並且有一組具有系統差異的、時間上變化的厚壁菌圍繞其波動。

3. HMP1-II沒有檢測轉運時間、免疫狀態以及參與者詳細的飲食和用藥史等信息，具有一定的局限性，人類健康隊列中還是有很多微生物組的重要特性有待研究。如，探索此處識別的亞種結構的功能起源、影響以及種群、地理複雜性，繼續完善微生物基因集，利用所測量協變數解釋更多的微生物組的變異性等。

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本文轉自：微生命 公眾號

原題：HMP第一期第二批數據：人體共生菌株、功能和動態變化

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