凌恩生物资讯|宏基因组到底要不要去宿主？

本期为大家分享的文献是发表在《Genomics, Proteomics & Bioinformatics》上的文章“High Sensitivity of Shotgun Metagenomic Sequencing in Colon Tissue Biopsy by Host DNA Depletion”，该研究提出的优化去除宿主DNA方法提高了鸟枪宏基因组测序在活检中细菌检测中的敏感性，评估了通过去除宿主DNA的宏基因组测序对微生物组的有效性。

发表期刊：Genomics, Proteomics & Bioinformatics

发表时间：2022

影响因子：6.409

DOI: 10.1016/j.gpb.2022.09.003

一、研究背景

组织活检的高宿主遗传背景阻碍了鸟枪宏基因组测序在表征组织微生物群中的应用。去除宿主DNA对组织样本中的宏基因组分析和微生物图谱的影响仍有待阐明。

二、研究方法

本研究提出了一种优化的去宿主方法，将人类或小鼠结肠活检被分为两组，一组在测序之前，通过哺乳动物和细菌细胞的差异裂解去除宿主DNA（实验组），另一组不去宿主作为对照（对照组），分别进行了宏基因组测序，并基于系统发育多样性分析和回归分析，比较了去除宿主DNA对微生物群的响应。

图1 实验分析流程

三、主要结果

1、从组织样本中去除宿主DNA增加了微生物reads的数量

本研究从8个人（表1）和19只小鼠结肠活检样本中平均产生5537±723万个reads。人和小鼠实验组中细菌reads数量均得到了增加，而使宿主reads数量得到了减少（图2A、C）。在去除宿主DNA后，实验组每个样本检测到的细菌种类相较于对照组也得到了增加（图2B、D），且在对照组中检测到的大多数细菌种类（93.45%±0.89%）也存在于实验组中，这表明该方法在不破坏组织样本的微生物组成的情况下增加了物种检测的敏感性。

此外，对人类和小鼠样本的相关性分析表明，实验组宿主DNA减少的程度与宏基因组学的物种检测密切相关（P<0.05, 图2E）。

表1 从人类结肠活检收集的宏基因组数据到参考基因组数据库的比对

图2 去除宿主DNA增强了结肠组织中细菌种类的检测

2、去除宿主DNA增加了结肠组织中细菌的多样性

在人类活检和小鼠结肠样本中，去除宿主DNA的样本的细菌丰富度明显增加（通过Chao1指数测量）（图3A和B）。此外，在小鼠结肠组织中发现的大多数细菌种类（实验组98.39%，对照组97.05%）也在粪便样本中发现（图3C）。粪便微生物群的细菌丰富度多样性最高，其次是实验组去宿主的肠道微生物群和对照组未去宿主的肠道微生物群（图3D）。

图3 去除宿主DNA增加了结肠组织中检测到的细菌的多样性

3、去除宿主DNA增加了细菌基因的覆盖范围

为了进一步验证在宏基因组测序前去除宿主DNA对微生物分析的影响，检测了在单个样本中检测到的细菌基因。基因积累分析显示，在人类结肠活检中，去除宿主DNA后，细菌基因的检测率增加了33.89%（图4A）。小鼠结肠组织中，与对照组相比，实验组去宿主后的细菌基因检测率增加了95.75%（图4B）。

图4 去除宿主DNA增加了细菌基因的覆盖率

4、去除宿主DNA保持了肠道微生物的相对丰度，同时增加了细菌DNA的测序深度

人和小鼠结肠组织样本中实验组和对照组之间的优势门均显示出无显著差异（P<0.05， 图5），表明去除宿主DNA并没有改变微生物群落的整体结构。然而，在去除宿主DNA后，一些物种的丰度发生了变化（0.03%）。例如，人的样本中几种革兰氏阴性菌在去除宿主DNA后，观察到其丰度得到了增加（图6A）。研究人员进一步基于qPCR方法，计算了实验组和对照组的宿主DNA比率之间的差异，结果表明，qPCR数据（9.46%）与宏基因组测序数据（10%）相似。这些发现说明，本研究方法提高了细菌DNA的测序深度，揭示了可能在健康维持或疾病发展中具有重要生物学功能的低丰度细菌物种。

图5 去除宿主DNA后，微生物群落结构得以维持

图6 丰度随宿主DNA减少而变化

总结

综上所述，本研究优化的宿主DNA去除方法提高了鸟枪法宏基因组测序在活检细菌检测中的灵敏度，这可能会产生更准确的组织微生物群分类学概况，并识别对疾病发生或进展很重要的细菌。

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参考文献：

High Sensitivity of Shotgun Metagenomic Sequencing in Colon Tissue Biopsy by Host DNA Depletion. Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 2022.

DOI: 10.1016/j.gpb.2022.09.003