百趣新品-宏病毒组探索“已知的未知”微生物

人的肠道具有复杂的微生物生态系统，包括细菌、真菌、古菌和病毒等。随着下一代测序技术（高通量测序）的兴起，人类肠道细菌的研究有了飞跃性的发展，但是感染这些细菌的病毒仍未得到充分开发。噬菌体是人类肠道内最丰富的病毒群体，越来越多的证据表明，噬菌体能够通过影响与人类共生的细菌群落的结构和功能来影响人类健康。

1.宏病毒组学

宏病毒组学(Viral Metagenomics)是宏基因组学的一个分支，但与传统的宏基因组学概念不同，它是在宏基因组学概念的基础上，结合病毒自身的特点，如应用特殊方法把特定环境中所有病毒与其他微生物分开，然后提取的病毒核酸，用高通量技术进行病毒核酸测序（VLP metagenomes），也可以不进行病毒与微生物分离并提取核酸进行测序（Bulk metagenomes），最后将测序结果与现有的核酸文库进行比对，并运用软件分析处理后最终得到研究样品中病毒群落的组成信息。2002年，Breitbart等[1]将宏基因组学方法应用于海洋病毒群落的研究，发现噬菌体为海水中主要病毒组，这一研究标志着宏病毒组学正式应用于科学研究。

2.人体肠道病毒特点

2.1 组成多样性

人体肠道病毒主要由噬菌体、真核病毒和植物源病毒组成，他们与共生细菌和肠道屏障相互作用，促进肠道健康所必需的重要功能，90%以上为原核病毒即噬菌体。这些病毒以DNA病毒为主，伴有少数RNA病毒，且大部分还未被开发。

2.3 异质性和稳定性

肠道中病毒在不同个体中由于遗传、饮食、药物和地域等因素的不同而存在一定的异质性；研究发现，虽然在不同的生长阶段病毒含量在一定范围内波动，但病毒在健康成人体内稳定较好。

2.4 应用

最近的研究表明，共生的病毒不仅积极地与其他微生物相互作用，同时也与哺乳动物的免疫系统有密切关系，在噬菌体治疗，敏化抗生素抗性细菌，促发机体免疫从而保护宿主免受病毒感染等方面有广泛的应用。

图4 噬菌体的部分应用[6]

3.宏病毒组学研究流程

宏病毒组学研究从样本准备开始，提取DNA并检测，然后构建和检测文库，最后上机检测和数据分析。由于病毒核酸在样本中的相对含量非常低，容易受到宿主的基因组的严重干扰，且病毒的结构具有独特性，缺少具有固定保守的进化标记基因，无法通过保守的基因分析来鉴定分类信息，使得宏病毒组研究从样本制备开始到数据分析都存在着一定的困难。目前，从样本制备层面主要有VLP metagenomes和Bulk metagenomes两种；数据分析方面，有组装和非组装两种。

图5 宏病毒组研究流程[7]

4.案例

Landscapes of bacterial and metabolic signatures and their interaction in major depressive disorders

重度抑郁症的宏基因组、宏病毒组和代谢组学研究

重度抑郁症（MDD）是一种常见的使人衰弱的精神障碍，与肠道微生物组密切相关，但人们对于其潜在机制，肠道病毒、肠道菌群和代谢组的变化以及它们之间是如何作用从而影响MDD知之甚少。本文使用全基因组鸟枪法的宏基因组学技术和基于GC-MS的非靶向代谢组学方法，对来自MDD和健康对照（HCs）患者的311分粪便样本进行检测，通过分析确定了有明显差异的 3 个噬菌体、47 个菌和 50 个代谢物，通过Random Forest建模，选出了对MDD和HCs有一定区分能力的潜在标志物组合，为深入了解肠道生态系统在MDD的作用及潜在机制研究提供了有力的依据。

参考文献：

【1】Breitbart M, Salamon P, Andresen B, et al. Genomic analysis of uncultured marine viral communities[J].Proc Natl Acad Sci USA, 2002, 99(22): 14250-14255.

【2】Gregory AC, Zablocki O, Zayed AA, et al. The Gut Virome Database Reveals Age-Dependent Patterns of Virome Diversity in the Human Gut.Cell Host Microbe. 2020 Nov 11;28(5):724-740.e8.

【3】Guanxiang Liang, Frederic D. Bushman. The human virome: assembly, composition and host interactions.Nat Rev Microbiol. 2021 Mar 30;1-14.

【4】Dion MB, Oechslin F, Moineau S. Phage diversity, genomics and phylogeny.Nat Rev Microbiol. 2020 Mar;18(3):125-138.

【5】Gregory AC, Zablocki O, Zayed AA, et al. The Gut Virome Database Reveals Age-Dependent Patterns of Virome Diversity in the Human Gut.Cell Host Microbe. 2020 Nov 11;28(5):724-740.e8.

【6】Salmond GP, Fineran PC. A century of the phage: past, present and future.Nat Rev Microbiol. 2015 Dec;13(12):777-86.

【7】Garmaeva S, Sinha T, Kurilshikov A, et al. Studying the gut virome in the metagenomic era: challenges and perspectives.BMC Biol. 2019 Oct 28;17(1):84.

【8】Yang J, Zheng P, Li Y, et al. Landscapes of bacterial and metabolic signatures and their interaction in major depressive disorders.Sci Adv. 2020 Dec 2;6(49):eaba8555.