今日Nature：挖掘微生物组中隐藏的功能暗物质你都知道哪些？

cht 2023-10-14 10次阅读

10月12日的《热心肠日报》，我们解读了 10 篇文献，关注：微生物蛋白，MAG，生信，方法，微生物组数据，原住民，伦理，生态恢复，公众认知。

Nature：全面解析微生物组蛋白多样性和功能暗物质

Nature——[64.8]

① 开发了一种新的计算方法，从微生物组数据中挖掘未知（无参考）的微生物蛋白家族；② 分析近2.7万个宏基因组和宏转录组数据，鉴定出11.7亿个长度超过 35 个氨基酸的新蛋白序列；③ 对这些序列进行聚类，归为10.6万个新的蛋白家族（每个家族包含≥100个成员）（用同样方法从参考基因组中获得的蛋白家族数量是9.3万个）；④ 对这些新的蛋白家族进行了基于其分类学、栖息地、地理分布和基因邻域分布的注释，并预测了部分3D蛋白结构。

【主编评语】

目前对微生物组蛋白多样性的了解，主要基于已知参考基因组和由这些基因组推导出的蛋白家族，而无法映射到参考数据库的序列则成为被忽视的功能暗物质。

为了解决这一问题，Nature最新发表的一项研究开发了一种计算方法，以不依赖于参考基因组的方式，从宏基因组和宏转录组数据中鉴定新的蛋白家族，极大地拓宽了已知的微生物蛋白及其功能的多样性。

（@mildbreeze）

【原文信息】

Unraveling the functional dark matter through global metagenomics

2023-10-11, doi: 10.1038/s41586-023-06583-7

Nature Reviews：评估MAG质量的不同工具和策略（评论）

Nature Reviews Microbiology——[88.1]

① 介绍了用于评估微生物组研究中生成的宏基因组组装基因组 MAG 质量的不同工具和策略；② CheckM通过测量MAG中几乎普遍分布的单拷贝基因比例来确定基因组完整性，而CheckM2使用机器学习模型估计基因组质量；③ uBin是一种新的手动管理工具，具有图形用户界面，可根据鸟嘌呤-胞嘧啶含量、覆盖范围和单个重叠群分类以交互方式改进MAG；④ 与CheckM一样，uBin也使用一组单拷贝基因来提供去除重叠群时完整度和污染水平变化情况。

【主编评语】

随着测序技术和生物信息学工具的快速发展，如今微生物相关研究已经产生了大量的宏基因组组装基因组（MAG），如何评估这些基因组的完整度和污染率，一直是该研究领域的重要课题。

近日，发表在Nature Reviews Microbiology的一篇报道，介绍了用于评估微生物组研究中生成的MAG的质量的不同工具和策略（CheckM、CheckM2及uBin），为后续研究人员进行基因组质量评估提供了指导，值得关注。

（@九卿臣）

【原文信息】

Quality MAGnified

2023-10-03, doi: 10.1038/s41579-023-00981-4

Nature子刊：MetaCC助力解析宏基因组Hi-C数据

Nature Communications——[16.6]

① 开发出MetaCC，一个用于分析短读和长读长metaHi-C数据集的高效综合框架；② MetaCC在标准化和分箱方面优于现有方法，其标准化模块NormCC，在复杂的废水数据集上比目前最先进的方法HiCzin快3000多倍；③ 当应用于一个羊肠道metaHi-C数据集时，MetaCC分箱模块基于一个样本可恢复709个高质量基因组（包括丹毒丝菌目的五个未培养成员）；④ MetaCC是唯一能够恢复重要物种普通拟杆菌基因组的工具，质粒分析表明，MetaCC分箱能够捕获多拷贝质粒。

【主编评语】

Hi-C方法在宏基因组分箱上具有重要价值，使用Hi-C近端连接技术可进行无培养宏基因组学分析、质粒-宿主关联以及菌株基因组组装。

目前Hi-C测序文库构建的选择很多，但是分析工具比较欠缺。

近日，南加州大学研究人员在Nature Communications发表最新研究，开发出MetaCC用于分析短读和长读长metaHi-C数据集，经过实测，发现MetaCC在标准化和分箱方面优于现有方法，值得关注。

（@九卿臣）

【原文信息】

MetaCC allows scalable and integrative analyses of both long-read and short-read metagenomic Hi-C data

2023-10-06, doi: 10.1038/s41467-023-41209-6

Nature子刊：从宿主单细胞测序中识别微生物信号的计算管道

Nature Computational Science——[11.3]

① 本文介绍了一种名为宿主与微生物组相互作用的单细胞分析（SAHMI）计算管道的开发情况；② SAHMI旨在识别微生物读数，并从哺乳动物组织基因组数据中去除假阳性和微生物污染物；③ 基于每个分类单元的总k-mers和唯一k-mers数量之间的关系反映分类群，并基于阴性对照参考数据集去噪；④ 纳入八项临床验证感染的人体样本数据对SAHMI进行基准研究测试；⑤ 通过STAR和mBodyMap对SAHMI结果进行了验证，并胰腺癌数据集中验证了SAHMI的性能表现。

【主编评语】

这是发表在Nature Computational Science上的一份工作，作者主要聚焦于在含有微生物的宿主组织样本进行单细胞测序时的微生物噪声或假阳性问题。

他们开发了一种计算管道，基于每个分类单元的总k-mers和唯一k-mers数量之间的关系来真实反映分类群，通过纳入八项临床验证感染的人体样本数据进行基准研究测试，同时纳入细胞系测序数据以区分假阳性和常见污染物，他们基于STAR和mBodyMap对SAHMI结果进行了验证，并在胰腺癌数据集中测试了SAHMI的性能表现。

该方法可区分真实的微生物信号和宿主数据，有利于宿主-微生物组相互作用的研究。

（@Johnson）

【原文信息】

Denoising sparse microbial signals from single-cell sequencing of mammalian host tissues

2023-09-18, doi: 10.1038/s43588-023-00507-1

Cell子刊：利用挥发性气体，无创监测宿主体内的菌群代谢活动

cell reports methods——[N/A]

① 利用二次电喷雾电离质谱（SESI-MS）可实现无创活体小鼠呼出气体和细菌培养物顶空气体内物质的检测；② GF、3种肠菌定植（EAM）、SPF小鼠呼出的气体内短链脂肪酸水平不同；③ 比较3种肠菌培养物顶空气体和EAM小鼠气体特征，发现宿主气体特征包含肠菌特征；④ 通过喂食仅由微生物代谢的同位素标记糖结合SESI-MS，可追踪肠道细菌之间的宿主内交叉喂养；⑤ 菌群是小鼠挥发物的主要贡献者，或可通过监测挥发物来捕捉小鼠体内菌群中种间相互作用。

【主编评语】

这是发表在Cell Reports Methods上的一份工作，作者基于二次电喷雾电离质谱（SESI-MS）开发了无创采集鉴定活动性小鼠的挥发性气体组分的装置，同时开发了采集鉴定厌氧细菌培养物顶空气体组分的装置。

通过比较无菌小鼠、定植了3种肠菌的EAM悉生小鼠以及SPF小鼠的呼出气体，发现不同菌群定植状态的宿主呼出的短链脂肪酸水平不同。

进一步比较单独三种细菌培养物顶空气体组分和EAM小鼠去除GF小鼠宿主本底的呼出气体组分，他们发现EAM小鼠菌群呼出气体特征均被包含在肠菌培养物顶空气体特征中，同时定植最好的B. theta气体特征与EAM小鼠菌群气体特征被聚类在一起。

通过饲喂同位素标记的阿拉伯糖（仅能被微生物代谢），可实现肠道细菌之间的宿主内交叉喂养追踪。

（@Johnson）

【原文信息】

Non-invasive monitoring of microbiota and host metabolism using secondary electrospray ionization-mass spectrometry

2023-07-26, doi: 10.1016/j.crmeth.2023.100539

Nature子刊：共享微生物组数据和分析的挑战与机遇（观点）

Nature Microbiology——[28.3]

① 数据共享需遵循FAIR（Findable、Accessible、Interoperable、Reusable）原则，以最大化数据的科学价值和利用；② 在收集样本或生成数据之前，需做好数据管理计划以及选择需要分析的微生物特征（分类、功能、变异等）；③ 在数据库中需共享原始和派生数据，以及描述数据信息的元数据；④ 需共享相应的分析方法和流程，以促进再现性和重复使用，并对计算方法进行评估以确保数据分析质量；⑤ 通过生物实验，验证从数据分析中获得的相关发现。

【主编评语】

微生物组研究领域正在产生大量复杂的数据，包括微生物组数据、元数据和分析工作流程。

尽管在数据共享方面已经建立了基础设施和技术，但由于微生物组研究的跨学科和多组学特性，资源的识别和使用仍存在困难。

该领域仍然面临缺乏特定数据共享或可重复性资源的问题。

一篇发表在Nature Microbiology上的观点文章讨论了微生物组数据和分析共享中的挑战和机遇，并提出了最佳实践和建议，以确保微生物组特定数据库能够整合未来的数据分析和重复使用。

（@EADGBE）

【原文信息】

Challenges and opportunities in sharing microbiome data and analyses

2023-10-02, doi: 10.1038/s41564-023-01484-x

Nature子刊：用于指导土著社区微生物组研究的关系框架（观点）

Nature Microbiology——[28.3]

① 人类微生物组研究对象过于集中于工业化国家的多数人口，对土著人群微生物组的比较研究突显了对健康人类微生物组定义的不足；② 在土著社区进行的微生物组研究主要以非土著工业化国家的利益为主，存在生物殖民主义的压榨风险；③ 因此，在土著社区开展微生物组研究时，必须尊重土著研究主权，将土著居民、研究者和微生物之间的关系作为研究框架的基础；④ 科学界应加强数据共享、经费支持以及土著人群的参与和主导，以使全球人民受益。

【主编评语】

在人类微生物组研究中，伦理实践未能跟上该领域的科学进展。

一篇发表在Nature Microbiology上的观点文章提出了一个以土著居民、研究人员和微生物之间的关系为核心的框架，旨在建立与土著居民之间的责任关系，从而消除长期存在的权力和利益不均衡。

该文建议采取措施将土著居民培养成微生物组研究的参与者和主导者，而非仅限于作为研究对象，以此为全球人民带来健康益处。

（@EADGBE）

【原文信息】

A relational framework for microbiome research with Indigenous communities

2023-09-28, doi: 10.1038/s41564-023-01471-2

Nature子刊：微生物组研究中的伦理挑战（观点）

Nature Microbiology——[28.3]

① 世界各地土著人群的微生物组多样性较高且群落组成独特，但相关的伦理问题未得到足够关注；② 微生物组所有权应成为微生物组伦理学的基本概念，以确定与土著人群相关研究的利益和风险如何分配；③ 应尊重土著人群的主权，并支持由土著个人和社区领导微生物组所有权的发展；④ 应与土著社区建立牢固和真正的伙伴关系，从而有利于解决相关利益问题；⑤ 随着人体微生物组研究和商业化潜力迅速发展，亟需建立社区管理自身知识产权索赔和商业化能力。

【主编评语】

随着人类微生物组学研究的进展，从土著社区收集微生物组数据带来了一系列道德挑战，这些挑战必须得到解决。

一篇发表在Nature Microbiology上的综述讨论了土著人群的微生物组所有权问题，强调了在微生物组研究中纳入土著文化和观点的重要性。

该文还分析了在这一背景下，微生物组所有权作为一个伦理概念所涉及的利益和风险，并认为微生物组所有权为土著人群在研究的各个阶段提供了管理和保护其微生物群落的机会。

（@EADGBE）

【原文信息】

Microbiome ownership for Indigenous peoples

2023-09-28, doi: 10.1038/s41564-023-01470-3

微生物组学在生态系统恢复中的机遇与挑战（综述）

Trends in Ecology and Ecolution——[16.8]

① 全球生态系统退化规模加大和速度加快，亟需将微生物组学应用到恢复生态系统中；② 微生物组能增强生态系统恢复力和复杂性，直接和间接影响着陆地和水生生态系统；③ 微生物组学应用需恢复规划、实施和监测三阶段，并依赖于多组学分析工具和其他互补方法；④ 微生物组学应用存在学科盲点、微生物功能和互动网络未知、跨学科合作及科研人员之间合作的挑战；⑤ 未来，研究仍然需要在微生物组与生态系统层面的过程之间建立定量和预测性联系。

【主编评语】

微生物是生态系统中关键的组成部分，其在环境中的功能包括物质循环、土壤形成、植物生长等。

通过改变微生物组的结构和功能，可以促进生态系统的恢复和稳定。

一篇发表在Trends in Ecology & Evolution上的综述文章讨论了微生物组学研究在生态系统恢复中的潜在作用，以及所面临的挑战和机遇。

这些研究使我们能够更深入地了解生态系统，并采取更全面和更精确的方法来应对新兴的全球环境威胁。

（@EADGBE）

【原文信息】

Opportunities and challenges for microbiomics in ecosystem restoration

2023-08-28, doi: 10.1016/j.tree.2023.07.009

如何提高公民对肠道微生物组健康的认知？

Gut Microbes——[12.2]

① 招募 70 名志愿者，根据年龄和教育背景组织 6 个影像发声小组，参与者选择 64 张照片来代表日常习惯对肠道微生物群健康的影响，创建四个影像发声主题；② 对肠道菌群进行分析，识别 474 个分类群，根据肠道微生物组多样性和体重指数 BMI 进行深入微生物分析，揭示三类人群；③ 参与者通过参与行动研究活动增强了对肠道微生物健康的了解；④ 较低的微生物多样性、较高的BMI和更好的学习成绩之间存在相关性，即该干预对高风险人群效果更佳。

【主编评语】

目前，公民缺乏关于肠道微生物群对健康的影响，以及生活方式和饮食选择如何影响健康的知识，这会增加一些非传染性疾病的风险并影响整体健康。

参与性行动研究（PAR）是一种很有前景的方法，来加强沟通，鼓励个人采取更健康的行为，改善他们的健康。

而Photovoice（影像发声）是定性研究中使用的一种视觉方法,它是将文字和图片结合在一起以表达和记录社区的愿望、需求和问题的一种方法,是一种视觉方法。

Gut Microbes近期发表的文章，探讨将影像发声方法与公民科学方法相结合来促进人们认知肠道微生物群健康的可行性。

（@章台柳）

【原文信息】

Citizen science helps to raise awareness about gut microbiome health in people at risk of developing non-communicable diseases

2023-08-02, doi: 10.1080/19490976.2023.2241207

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，白蓝木，九卿臣，湖人总冠军，阿当，陈娟娟，Jack Chen

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