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人类肠道中存在大量噬菌体,它们对肠道微生物的多样性和功能具有影响,从而对人类的健康和疾病产生影响。噬菌体的DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰方式,可以调节噬菌体的基因表达和复制,并帮助其抵抗宿主的限制修饰系统。然而,人类肠道噬菌体基因组中的DNA甲基化情况至今仍未完全了解。
2023年6月29日,华中科技大学生命科学与技术学院的陈卫华教授、刘智教授,以及复旦大学的赵兴明教授、欧洲分子生物学实验室的Peer Bork教授及其团队合作在国际知名期刊《Advanced Science上在线发表了题为“Long-Read Sequencing Reveals Extensive DNA Methylations in Human Gut Phagenome Contributed by Prevalently Phage-Encoded Methyltransferases”的研究论文。该研究利用长读测序技术全面揭示了人类肠道噬菌体基因组中的DNA甲基化模式和机制,为深入理解噬菌体与宿主之间的相互作用和进化提供了新的视角和数据。

该研究通过结合长读长(PacBio CCS模式)和短读长(Illumina)测序技术,构建了
一个包含21,646个非冗余噬菌体基因组的中国人类肠道噬菌体(CHGV)目录。为避免由基因组片段导致的偏差,研究人员进一步筛选,只保留了完整度≥90%的8,848个噬菌体基因组。研究发现了8,448,009个甲基化位点,其中51.14%为m4C修饰,48.85%为m6A修饰。在8,848个噬菌体中,97.5%的噬菌体(8,630个)被甲基化,96.6%的噬菌体(8,549个)包含这两种修饰类型。此外,研究还鉴定出157个甲基化motif,其中包括两个之前未发现的新motif。
图1 人肠道噬菌体基因组甲基化图谱
研究对不同噬菌体基因组的DNA甲基化模式进行了分析,并发现它们与噬菌体的基因组特征和进化特征相关。根据噬菌体的生活方式将其分为四种类型后发现,m4C甲基化在编码区和非编码区的密度随着噬菌体烈性程度的增加而增加,而m6A甲基化则相反。这些结果表明不同类型的噬菌体对DNA甲基化有不同的偏好,这些甲基化可能与噬菌体的功能和生存有关。此外,研究还观察到噬菌体的分布广度和甲基化密度之间存在很强的正相关性,表明较高的甲基化密度可能对应着较高的噬菌体活力。


图2  CHGV-HQ基因组的DNA甲基化分布模式
为了探索这些甲基化的来源,研究人员检查了肠道噬菌体是否编码了自己的MTase(甲基转移酶),并将其用于自身基因组的甲基化。研究发现,超过三分之一的肠道噬菌体编码了自己的MTase,而且这些酶与细菌编码的酶具有很高的蛋白质相似性。噬菌体编码的MTase主要是非孤儿MTase,可能参与抗细菌防御机制。研究还发现,噬菌体编码更多的MTase基因与更高的甲基化密度、motif数量以及更广泛的分布相关。此外,研究还观察到温和型噬菌体中含有更多的MTase基因,而烈性噬菌体则较少或甚至不含MTase基因。

图3 噬菌体编码的MTase在肠道噬菌体中普遍存在
通过分析噬菌体编码的DNA甲基转移酶(MTase)与细菌编码的MTase之间的相似性,发现它们之间存在很高的蛋白质序列同源性,这表明噬菌体与细菌之间存在基因交流,也暗示了噬菌体能够利用自己编码的MTase来逃避细菌的防御机制。此外,研究还利用MTase的相似性预测了噬菌体与宿主细菌之间的关系,并获得了较高的准确性。这些结果揭示了噬菌体DNA甲基化在逃避宿主防御系统中的作用,以及噬菌体与细菌之间的基因交流对肠道微生物群落的影响。

图4 噬菌体和细菌编码MTase具有高度同源性,可用于高精度预测噬菌体-宿主关系
总之,该研究结果揭示了肠道噬菌体使用DNA甲基化逃避宿主防御系统的普遍性,和噬菌体编码的MTase的贡献。这些结果对于理解肠道噬菌体的生存策略、噬菌体和细菌之间的基因交流对肠道微生物群落的影响,以及肠道噬菌体对人类健康和疾病具有重要的参考价值。

华中科技大学生命科学与技术学院博士研究生孙楚晴为该论文第一作者,华中科技大学陈卫华教授和刘智教授、以及复旦大学赵兴明教授和欧洲分子生物学实验室Peer Bork教授为该论文共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。
原文链接:https://doi.org/10.1002/advs.202302159
内容部分来源于 BioArtMED

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