猕猴肠道宏基因组中新微生物基因组的组装

Assembly of novel microbial genomes from gut metagenomes of rhesus macaque (Macaca mulatta)

Research Paper，2023-3-15， Gut Microbes， [IF 9.434]

DOI：https://doi: 10.1080/19490976.2023.2188848

第一作者：Shengzhi Yang；Zhenxin Fan

通讯作者：Anyun Zhang;Jing Li；

- 摘要 -

基于宏基因组组装普通猕猴（Macaca mulatta）肠道微生物基因组对于理解其作为重要的非人灵长类模式动物具有重要意义。近日，四川大学生命科学学院研究团队基于慢性腹泻猕猴和健康猕猴的粪便宏基因组数据对微生物基因组进行了组装，获得了731个MAGs（Metagenome-assembled genomes），其中678个MAGs属于与其它非人灵长类MAGs不同的菌株，354个属于在其它非人灵长类MAGs中未发现的独特物种。进一步分析发现腹泻猕猴肠道中弯曲杆菌和螺杆菌科MAGs的毒力基因富集在鞭毛相关基因和趋化性相关基因中，与从人类肠道中分离出的菌株具有显著差异。本研究为丰富非人灵长类肠道微生物基因组资源、理解慢性腹泻的病理机制提供了重要参考。

研究结果以“Assembly of novel microbial genomes from gut metagenomes of rhesus macaque (Macaca mulatta)”为题发表在《Gut Microbes》（影响因子9.434）。四川大学生命科学学院李静教授和张安云教授为共同通讯作者，杨盛智博士和范振鑫副教授为并列一作。研究工作得到本学院岳碧松教授、中国医学科学院输血研究所何苗研究员的指导。

- 结果 -

731个MAGs（完整度> 80%且污染度< 10%）注释到80个科，698个MAGs注释到219个属，464个MAGs注释到250个种。这些MAGs中，属于Firmicutes_A 的数量最多（n = 312）。在ANI<95%的阈值下，对731个MAGs进行聚类产生得到464个种水平基因组（Species-level genomes bins，SGBs）。这些SGBs主要属于Oscillospirales（n = 104）、Lachnospirales（n = 76）和Bacteroidales（n = 65）等。从所有的MAGs中鉴定出46057个碳水化合物活性酶（CAZymes）基因、289个毒力基因。毒力基因主要分布在Campylobacteraceae、Helicobacteraceae、Escherichia、Haemophilus和Haemophilus_A的MAGs中。

本研究共构建得到11个弯曲菌属（Campylobacter）的MAGs，Manara等（2019）从其它非人灵长类（Non-human primates，NHPs）宏基因组中组装得到了3个弯曲菌属的MAGs。本研究注释了这14个MAGs以及大肠弯曲杆菌（C. coli）、空肠弯曲杆菌（C. jejuni）等基因组的毒力基因，共鉴定出133个毒力基因（图1a）。从公开数据库下载了301个来源于人类宏基因组的弯曲菌属MAGs，构建了弯曲菌属基因组的系统发育树（图1b）。功能注释显示不同采样部位的MAGs功能存在差异（图1c）。进一步注释来自肠道的MAGs功能显示，猕猴与人类的MAGs存在明显差异（图1d）。对螺杆菌科（Helicobacteraceae）MAGs的毒力基因注释显示，毒力基因主要富集在鞭毛相关基因以及趋化性相关基因（图1e）。

图1 弯曲菌属（Campylobacter）和螺杆菌科（Helicobacteraceae）MAGs的功能注释。

（a）弯曲菌属基因组中毒力基因注释；（b）来自猕猴、其它NHPs和人的弯曲菌属MAGs的系统发育树；（c）根据不同采样部位对猕猴、其它NHPs和人的弯曲菌属MAGs的功能注释；（d）根据不同宿主对粪便中弯曲菌属MAGs的功能注释；（e）螺杆菌科MAGs 中毒力基因的注释。

为了比较猕猴的MAGs与其它NHPs的MAGs独特性，计算了猕猴的731个MAGs与其它NHPs的2985个MAGs之间的ANIs。猕猴的678个（92.7%）MAGs的ANI < 99%，猕猴的354个（48.4%）MAGs的ANI < 95%（图2a）。猴总科的MAGs与猕猴MAGs之间的ANIs高于狐猴下目和阔鼻小目的MAGs（图2b）。计算了猕猴的SGBs与其它NHP的MAG之间的ANIs，约60%（n = 286）SGBs的ANI < 95%。这些SGBs主要属于Oscillospirales（n = 56）、Lachnospirales（n = 53）、Bacteroidales（n=32）等（图2c）。构建了普氏菌属（Prevotella）MAGs的系统发育树，它们来自NHPs的4个类群（包括阔鼻小目、猴总科、狐猴下目和人猿总科）的19个物种（图2d）。这些普氏菌属的MAGs主要来源于阔鼻小目和猴总科的肠道。大多数猕猴与食蟹猴的MAGs具有共享的系统进化树分支。功能注释表明这些MAGs是狐猴下目、阔鼻小目、猴总科的MAGs明显分离（图2e）。

该研究通过对猕猴粪便宏基因组数据进行基因组组装，获得了许多新的基因组，弥补了猕猴肠道微生物基因组报道较少的不足，也进一步扩大了NHPs肠道微生物基因组的多样性。该研究也发现猕猴肠道中弯曲菌属（Campylobacter）和螺旋杆菌科（Helicobacteraceae）的MAG主要携带鞭毛和趋化性相关的毒力基因，可能在猕猴腹泻过程中发挥潜在作用。NHPs的宿主系统发育也显著影响肠道中普氏菌属的分布和功能。我们的研究结果有助于更清楚地了解猕猴肠道微生物群的多样性和功能。

图2 猕猴与其它NHPs的MAGs比较。

（a）猕猴的MAGs与其它NHP的MAGs比较的ANI；（b）其它NHPs的MAGs与猕猴的MAGs的ANI分布；（c）与其它NHP的MAGs相比，来自猕猴的非冗余MAG的数量；（d）来自NHPs的普氏菌属系统发育树；（e）基于NHPs的进化支进行普氏菌属MAGs的功能注释。

参考文献

Yang S, Fan Z, Li J, Wang X, Lan Y, Yue B, He M, Zhang A, Li J. Assembly of novel microbial genomes from gut metagenomes of rhesus macaque (Macaca mulatta). Gut Microbes. 2023 Jan-Dec;15(1):2188848. doi: 10.1080/19490976.2023.2188848.

- 作者简介 -

第一作者

四川农业大学

杨盛智

博士

杨盛智，2022年博士毕业于四川大学，现工作于四川农业大学，主要从事动物肠道微生物组研究。

四川大学

范振鑫

副教授

范振鑫，现工作于四川大学生命科学学院，副教授，博士生导师。目前研究重点是猕猴等哺乳动物的适应性进化以及肠道微生物组，相关研究成果以第一作者或通讯作者发表于Genome Research, Molecular Biology and Evolution, PLoS Genetics, Microbiome等期刊。现为中国动物学会灵长类学分会理事会理事、中国动物学会生物进化理论专业委员会委员。

通讯作者

四川大学

张安云

教授

张安云，现工作于四川大学生命科学学院，教授，博士生导师，生物技术系系主任，动物疫病防控与食品安全四川省重点实验室副主任。入选农业农村部首届神农青年英才。长期从事动物病原细菌及其耐药性产生机理、传播途径和抗菌药物减量化相关研究。在Water Research、Science of The Total Environment、Veterinary Microbiology等期刊发表论文70多篇，被引1745次。获国家科技进步二等奖1项（排名第4）。担任国家十四五重点研发计划指南专家，国家动物疫病净化评估专家。

四川大学

李静

教授

李静，现工作于四川大学生命科学学院，教授，博士生导师。目前研究重点是猕猴动物的比较基因组学及疾病模型开发。研究先后获得国家自然科学基金重点项目和面上项目等资助，相关研究成果以通讯作者发表于Molecular Biology and Evolution, Microbiome等期刊。现为中国动物学会灵长类学分会理事会理事、四川省实验动物学会非人灵长类实验动物专委会主任。