Nature重磅：炎症性肠病中发现生物活性微生物基因产物

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背景

人类相关微生物是潜在生物活性分子产物 (包括蛋白质和代谢产物)的丰富来源。这些生物活性微生物产物驱动包括小分子介导的宿主-微生物和微生物-微生物相互作用等过程。尽管这种生物活性是任何微生物生态学的基础，但在人类微生物群中尤为重要，因为物种间功能的破坏会导致炎症性肠病 (IBD)等疾病。尽管这只是人类微生物群所涉及的众多健康状况之一，但就微生物生物活性而言，IBD是研究最好的疾病之一，然而许多未表征的微生物产物可能导致了其生态失调。

简介

2022年5月25日，来自美国哈佛大学的Yancong Zhang及其团队在Nature (IF: 42.778)杂志上发表名为Discovery of bioactive microbial gene products in inflammatory bowel disease的研究[1]。

主要结果

IBD 中未识别的蛋白质

我们首先验证了MetaWIBELE方法，以识别具有潜在生物活性的非特征性微生物群基因产物。MetaWIBELE使用序列同源性、基于二级结构的功能注释、系统发育分级、生态分布和环境或表型统计的组合，对来自组装的宏基因组的候选基因产物进行优先化，以靶向与诸如IBD (图1a)等病症相关的候选生物活性化合物。优先顺序从核苷酸开放阅读框 (ORF)开始，这些开放阅读框是从 (可能高度碎片化的)单样本宏基因组装配体外部注释的，MetaWIBELE 聚集成非冗余核苷酸，随后聚集成蛋白质家族。将读数重新映射到这些组件以进行定量，并将得到的序列和丰度概况用于后续分析，所有分析均通过可再现的分析工作流程实现自动化。

图1. IBD 微生物组中的许多蛋白质家族都没有特征，可以假定注释和优先考虑潜在的生物活性

在活动性 IBD 中优先使用的 Pilins

接下来，我们将重点放在菌毛 (pilus)系统的优先成员上，以便在IBD进行进一步调查。从HMP2 IBD宏基因组中优先选择了总共509个IBD相关的假定菌毛蛋白家族，包括359个没有基于同源性的功能表征的家族。40个最优先的家族 (分别在IBD衰竭和富集的前20个家族)分为2大类：一类通常在IBD富集，由变形菌携带；而另一种在炎症期间耗尽并主要由拟杆菌携带 (图3a)。与克罗恩病异常相关的推定变形菌来源的菌毛通常由已知的菌毛结构域编码，如伴侣菌毛蛋白 (I型和P菌毛)，它们往往被组装成相同的蛋白复合物 (例如，FimA、FimC、FimD、FimF、FimH和FimI，均来自I型菌毛)。该组还包含三个具有未知功能的推定pilin家族 (cluster_181837、cluster_281111和cluster_426579)。相反，在20种最优先化的拟杆菌假定菌毛蛋白中，有19种在非生物活性异常对照组中增加，但在功能上无特征性。这与既往一项研究一致，该研究将来自拟杆菌属的FimA样菌毛定义为人类肠道中普遍存在的一类不同的V型菌毛。

图3. 已知和新型促炎肠杆菌科菌毛蛋白的组合由于在IBD生态失调中富含而被高度优先考虑

在活性IBD中耗竭的外蛋白

最后，我们扩展了对IBD新的潜在生物活性化合物的分析范围，将任何预测会定位于细胞外的蛋白质都包括在内。其中许多可通过包含微生物分泌信号肽 (此处广义称为外蛋白)来识别，为此，我们进行了额外的优先过滤，以富集来自非肠杆菌科物种的非特征性蛋白。我们确定了185个候选的非特征性外蛋白家族，这些外蛋白家族预测在炎症方面具有生物活性，其中绝大多数 (93%)在IBD中被显著耗竭，仅13个被富集。未表征的贫化外蛋白在VWF样结构域中显著富集。其中27个用VWF样结构域注释，根据序列相似性，这些结构域又聚集成两个主要组，氨基酸同一性至少为50%，覆盖率至少为80%。值得注意的是，在每一组中均存在高度的功能和分类同质性以及明确定义的结构域结构 (图4a)。根据 HMP2 转录组学证据，两组都更有可能在没有炎症的情况下表达。

图4. 高度优先考虑炎症期间耗竭的IBD相关的非特征性含VWA的外蛋白，并表明维持细胞外稳态的多种机制

结论及展望

我们对微生物群落中数百万个非特征性基因的了解仍然非常有限，即使是在经过充分研究的环境中，如人类肠道。在这里，我们开发了MetaWIBELE，以使这一挑战更容易处理；通过将序列、结构、生态和表型信息集成到一组统一的注释和生物活性优先分数中。这种方法用于为后续的功能性、多组学或实验性随访产生假设，特别是由于微生物生物活性可能表现的许多机制：小分子代谢；信号分子的分泌；细胞表面或结构成分；以及直接宿主-微生物或微生物-微生物蛋白质相互作用等。因此，我们的方法是最先大规模系统组织潜在重要、非特征性微生物基因的方法之一。它是对其他微生物群生物勘探方法 (如生物合成基因簇 (BGC)注释)的补充，可应用于其他与宿主和非宿主相关的微生物群和人类疾病表型。我们在IBD的研究揭示了肠杆菌科菌毛蛋白、新型VWF样外蛋白和其他几种提示的细胞细胞通讯机制中的潜在致病靶点。我们希望这些将为IBD疗法中的微生物群靶向开辟新通路，并且整个方法将阐明在各种微生物群生态系统中尚未表征的功能性蛋白质。

参考文献

1.Zhang Yancong,Bhosle Amrisha,Bae Sena et al. Discovery of bioactive microbial gene products in inflammatory bowel disease.[J] .Nature, 2022, undefined: undefined.

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