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【学术前沿】Microbiome:人类肠道菌株资源库点亮肠道菌群“暗物质”

时间:2021-12-01      浏览:1372

在肠道微生物组研究中,可培养的肠道微生物资源发挥着重要作用,帮助探明肠道微生物功能以及宿主与微生物的相互作用机制。虽然部分研究已阐明被培养的人类肠道微生物群,但迄今为止,多达70%的人类胃肠道基因组物种尚未被培养。大规模的肠道微生物分离和鉴定、识别以及资源共享是肠道微生物研究和进一步描述人类肠道微生物功能的必要条件。

 

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近期中科院微生物所刘畅、刘双江研究团队以中国健康志愿者的239份新鲜粪便样本为分离基质进行大规模的肠道微生物分离和培养,并进行16SrRNA基因(>1.4kb)的测序,从而构建了人类肠道微生物库(hGMB),扩大了现有的人类肠道微生物资源,为深入研究肠道微生物功能并揭示肠道微生物-宿主间相互作用的机制提供坚实的基础。

 

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肠道微生物群(GM)对宿主的身心健康至关重要,GM生态失调会导致宿主免疫功能障碍、代谢紊乱、认知和生理发育受损。近年来依赖培养和不依赖培养的研究都获得了关于肠道微生物多样性和功能的一些信息。

 

然而,我们对人类肠道微生物的理解却非常有限,根据对人体肠道微生物基因组集(UHGG)的最新研究,超过70%的肠道微生物尚未被培养,40%的蛋白质编码序列没有功能注释,这些未知的微生物及其遗传元素被称为肠道微生物的“暗物质”,它们隐藏了有关肠道微生物功能和肠道微生物-宿主相互作用的秘密。

 

以往的研究表明,培养的肠道微生物资源不仅在宿主-GM相互作用的因果关系研究中发挥了重要作用,而且在非培养的组学研究中也具有重要意义。因此,建立健全的、全新的人类肠道微生物库,开发肠道微生物的暗物质是非常必要的。

 

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本研究以中国健康志愿者的239份新鲜粪便样本为分离基质,使用11种预处理方法和67种不同的培养方法对其进行大规模的肠道微生物分离和培养,获得了10558个纯培养物,并对其进行16SrRNA基因(>1.4kb)的测序,通过EZBioCloud和NCBI16Sr RNA序列数据库中的16Sr RNA基因blast分析,确定其分类,然后以16SrRNA基因序列识别阈值为98.7%进行聚类,将10558个培养物在种水平上划分为400个潜在类群,然后从400个分类单元中选取1170个代表菌株进行新分类单元的鉴定和保存。在400个类群中,根据系统发育分析、形态特征观察、生物标志物检测和基因组分析的结果,对102个新类群(包括28个新属和3个新科)进行描述和表征。所有的新类群均按照(国际原核生物命名规范)ICNP的规则进行。

 

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研究结果显示:

1. 从239名健康中国志愿者的粪便样本中获得了10,558个细菌分离株,代表159个属中的400种,属于53个科和6个门。建立了一个公开的人类肠道微生物库(hGMB)。

2. hGMB拓展了已有的肠道细菌资源和基因组库,增加102个新物种,鉴定并提出了28个新属和3个新科,占人类肠道中常见微生物的80%以上。

3. 测序得到的115个新细菌基因组中,包括UHGG数据库中未被培养的22个菌种和首次发现的24个菌种,并覆盖了50%的功能已知基因和10%的FUNKFams功能未知基因。

4. 通过将hGMB基因组与UHGG数据库和1129个全球健康的人类肠道宏基因组进行整合研究,分析了人类肠道微生物中102个新物种的分类学流行率、分布和遗传特征,表明hGMB在揭示更多人类肠道微生物“暗物质”方面具有很大的潜力。

 

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注:1170株菌株已经保存在中国普通微生物菌种保藏中心(CGMCC:http://www.cgmcc.net/english/hgmb),新类群的菌株也保存在韩国菌种保藏中心(KCTC)或NITE生物资源中心(NBRC)。hGMB成员的菌株材料、表型特征和基因组数据也可在hGMB主页(hgmb.nmdc.cn)和eLMSG上获得。

 

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【参考文献】

[1] Liu C, Du M, Abuduaini R, et al. Enlightening the Taxonomy Darkness of Human Gut Microbiomes With a Cultured Biobank[J]. Microbiome, 2021, 9(1).

 

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