【原】Microbiome 跨組學(xué)功能網(wǎng)絡(luò)預(yù)測神器

凌恩生物 2022-08-30 發(fā)布于陜西

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基于高通量測序技術(shù)，我們可利用宏基因組數(shù)據(jù)中組裝得到的MAGs來研究微生物生態(tài)學(xué)。這種技術(shù)使構(gòu)建微生物的基因組圖譜，破譯微生物的功能和活動，使重建其在生物地球化學(xué)過程中的作用研究成為可能。雖然目前已有的基因組數(shù)據(jù)分析工具可在一定程度上注釋和描述代謝功能，但缺乏全面的下游分析處理，包括代謝預(yù)測、代謝物交換、微生物相互作用和微生物對生物地球化學(xué)循環(huán)的貢獻等。針對上述問題，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員，開發(fā)了一個新工具:METABOLIC，用以進行微生物基因組及宏樣本中單菌基因組組裝，來分析微生物的代謝功能網(wǎng)絡(luò)。

METABOLIC的分析流程

METABOLIC的撰寫基于Perl及R語言，可在Unix、Linux或macOS上運行。該工具的輸入文件是FASTA格式的微生物基因組序列或宏基因組MAGs序列以及通過自定義HMM數(shù)據(jù)庫的注釋蛋白序列。其分析流程包括：

(1) 利用Prodigal工具對基因組基因預(yù)測；

(2) 通過6個數(shù)據(jù)庫進行代謝功能注釋（KOFAM，Pfam, MEROPs,TIGRfam，dbCan2和自定義HMM數(shù)數(shù)據(jù)庫）；

(3) motif validation：為增加注釋的可信度，將蛋白序列上的motifs與自建的高度保守的蛋白質(zhì)殘基序列數(shù)據(jù)庫HMM進行比較；

(4) 將測序數(shù)據(jù)比對到基因集上，得到的基因豐度數(shù)據(jù)可用以計算代謝網(wǎng)絡(luò)模塊的豐度（可選）；

(5) 用GTDBTK工具對微生物基因組或者MAGs做分類注釋；

(6) 輸出包括6個不同的結(jié)果，同時給出MW-score (metabolic weight score)，這個指標可以反映共享功能網(wǎng)絡(luò)中的微生物群落的功能能力和豐度。

圖1 METABOLIC的分析流程

可視化輸出及應(yīng)用

1、生物地球化學(xué)循環(huán)可視化

在METABOLIC生成蛋白質(zhì)和途徑注釋結(jié)果后，該工具進一步識別并強調(diào)了與能量代謝和生物地球化學(xué)相關(guān)的微生物組中重要的特定途徑。為可視化展示生物地球化學(xué)重要性的途徑，為每個基因組生成氮、碳、硫和其他元素循環(huán)的示意圖。

圖2 氮、硫和碳循環(huán)的示意圖

2、順序反應(yīng)的定量可視化

METABOLIC總結(jié)并可視化了參與重要無機和有機化合物順序轉(zhuǎn)化的微生物的基因組數(shù)量和覆蓋率（相對豐度）。此外，它直觀顯示了能夠進行特定途徑的微生物數(shù)量和豐度，可反映微生物群落的快速復(fù)原能力。

圖3 順序反應(yīng)定量示意圖

A無機化合物的順序轉(zhuǎn)化 B有機化合物的順序轉(zhuǎn)化

3、功能網(wǎng)絡(luò)的計算和可視化

METABOLIC產(chǎn)生的微生物代謝途徑豐度信息，可以確定微生物基因組中共存的代謝。在生物地球化學(xué)的背景下，這種方法可以評估生物地球化學(xué)步驟之間的關(guān)聯(lián)性和微生物的連接貢獻。下圖以棲息在深海熱液噴口的微生物群落作為例子，展示了METABOLIC構(gòu)建的功能網(wǎng)絡(luò)。

圖4 顯示微生物群落中不同功能之間的聯(lián)系的功能網(wǎng)絡(luò)

（節(jié)點代表生物地球化學(xué)循環(huán)中的各個步驟，連接的邊表示節(jié)點之間的功能連接)

4、微生物群落代謝功能貢獻的可視化

為了解與特定代謝和生物地球化學(xué)轉(zhuǎn)化有關(guān)的微生物群體的貢獻，METABOLIC將特定分類群、代謝反應(yīng)和整個生物地球化學(xué)循環(huán)（如碳、氮和硫循環(huán)）之間的聯(lián)系可視化。方法包括使用Sankey圖（也稱為"?；鶊D"）來表示一個特定群落中各微生物群體貢獻的代謝功能比例。

圖5 ?；鶊D

5、METABOLIC性能演示

為了展示METABOLIC在不同樣本中的應(yīng)用和性能，測試了8種不同的環(huán)境的數(shù)據(jù)（海洋地下、陸地地下、深海熱液噴口、淡水湖、結(jié)直腸癌患者的腸道微生物組、健康對照的腸道微生物群、草甸土壤、廢水處理設(shè)施）?？偟膩碚f，METABOLIC在所有環(huán)境中都表現(xiàn)良好，可以分析具有功能性狀和生物地球化學(xué)循環(huán)的微生物基因組。

圖6 基于MW-scores的代謝比較

A陸地地下（左紅色條）和海洋海底（右藍色條）之間的比較

B深海熱液噴口（左紅條）與淡水湖（右藍條）的對比

圖7 兩個微生物基因組的細胞代謝圖

圖8 結(jié)腸直腸癌(CRC)患者和健康對照腸道樣本的人類微生物組代謝的存在/缺失圖譜

總之，微生物基因組在個體和群落尺度上的代謝功能剖析，對于全面了解生態(tài)系統(tǒng)過程至關(guān)重要。本研究開發(fā)的代謝功能分析工具：METABOLIC將基因組信息整合到代謝和生物地球化學(xué)模型中，使得微生物代謝和生物地球化學(xué)的解釋更加容易，跨領(lǐng)域微生物組研究成為可能。

參考文獻

METABOLIC: high-throughput profiling of microbial genomes for functional traits, metabolism, biogeochemistry, and community-scale functional networks

https:///10.1186/s40168-021-01213-8

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