全コミュニティの人間の腸のメタゲノムで発見された数千の以前知られていなかったファージ

背景：二本鎖DNAバクテリオファージ（DSDNAファージ）は、ヒト腸内微生物叢の構造化において極めて重要な役割を果たします。しかし、腸のビロームは完全に特徴付けられるとはほど遠いものであり、非常に豊富なファージを含むファージの追加グループは、メタゲノムマイニングによって発見され続けています。ウイルスの分類学的分類のためのマルチレベルのフレームワークが最近採用され、ホールマーク遺伝子に基づいた進化的な有益な分類単位へのファージの分類が促進されました。シーケンスアセンブリのための高度なアプローチとシーケンス分析の強力な方法とともに、この改訂されたフレームワークは、人間の腸の不明なファージ分類群を発見して分類する機会を提供します。 結果：ファージの特徴遺伝子をコードする円形のコンティグのヒト腸メタゲノムの検索により、451の推定属を表す3738の明らかに完全なファージゲノムが識別されました。これらのファージ属のいくつかは、以前に特定されたファージとは遠い関係があり、新しいファミリーを発見する可能性があります。2人の候補者ファミリー「Flandersviridae」と「Quimbyviridae」には、バクテロイデス、パラバクテロイデス、およびプリブルテラに感染する人間の腸内腸の最も一般的で豊富なメンバーの一部が含まれています。3番目の提案された家族「Gratiaviridae」は、家族のサイン科、Drexlerviridae、およびChaseviridaeに遠く関連する豊富ではないファージで構成されています。CRISPRスペーサーの分析は、3つの推定ファミリーすべてのファージが門門の細菌に感染することを示しています。3つの候補ファージファミリーの比較ゲノム分析により、ファージゲノムの先例のない特徴が明らかになりました。一部の「quimbyviridae」ファージには、防御関連の遺伝子内に巣を作る過変数の標的遺伝子を生成する多様性を生成するレトロエレメント（DGR）がありますが、ファージにエンコードされたDGRの以前に知られている標的は構造遺伝子です。いくつかの「flandersviridae」ファージは、イソプレノイド経路の酵素をコードします。これは、これまでファージによって操作されることが知られていない脂質生合成経路です。「gratiaviridae」ファージは、HIPA-Familyプロテインキナーゼとグリコシルトランスフェラーゼをコードし、これらのファージが宿主細胞壁を修正し、他のファージによる上浸透を防ぐことを示唆しています。これら3つのファミリーおよび他のファミリーの数百のファージは、反応性酸素種に対する細胞耐性を高めるために予測できるカタラーゼと鉄の誘導酵素をエンコードすることが示されています。 結論：全コミュニティのヒト腸メタゲノームで特定されたファージゲノムの分析により、カウドウイラレスの少なくとも3つの新しい候補ファミリーが描かれ、ヒト腸におけるファージホストの相互作用の根底にある多様な推定メカニズムが明らかになりました。これらの系統発生的に分類された、多様で、異なるファージをパブリックデータベースに添加すると、分類学的分解とヒト腸内毒の機能的特性評価が促進されます。ビデオ要約。

BACKGROUND: Double-stranded DNA bacteriophages (dsDNA phages) play pivotal roles in structuring human gut microbiomes; yet, the gut virome is far from being fully characterized, and additional groups of phages, including highly abundant ones, continue to be discovered by metagenome mining. A multilevel framework for taxonomic classification of viruses was recently adopted, facilitating the classification of phages into evolutionary informative taxonomic units based on hallmark genes. Together with advanced approaches for sequence assembly and powerful methods of sequence analysis, this revised framework offers the opportunity to discover and classify unknown phage taxa in the human gut. RESULTS: A search of human gut metagenomes for circular contigs encoding phage hallmark genes resulted in the identification of 3738 apparently complete phage genomes that represent 451 putative genera. Several of these phage genera are only distantly related to previously identified phages and are likely to found new families. Two of the candidate families, "Flandersviridae" and "Quimbyviridae", include some of the most common and abundant members of the human gut virome that infect Bacteroides, Parabacteroides, and Prevotella. The third proposed family, "Gratiaviridae," consists of less abundant phages that are distantly related to the families Autographiviridae, Drexlerviridae, and Chaseviridae. Analysis of CRISPR spacers indicates that phages of all three putative families infect bacteria of the phylum Bacteroidetes. Comparative genomic analysis of the three candidate phage families revealed features without precedent in phage genomes. Some "Quimbyviridae" phages possess Diversity-Generating Retroelements (DGRs) that generate hypervariable target genes nested within defense-related genes, whereas the previously known targets of phage-encoded DGRs are structural genes. Several "Flandersviridae" phages encode enzymes of the isoprenoid pathway, a lipid biosynthesis pathway that so far has not been known to be manipulated by phages. The "Gratiaviridae" phages encode a HipA-family protein kinase and glycosyltransferase, suggesting these phages modify the host cell wall, preventing superinfection by other phages. Hundreds of phages in these three and other families are shown to encode catalases and iron-sequestering enzymes that can be predicted to enhance cellular tolerance to reactive oxygen species. CONCLUSIONS: Analysis of phage genomes identified in whole-community human gut metagenomes resulted in the delineation of at least three new candidate families of Caudovirales and revealed diverse putative mechanisms underlying phage-host interactions in the human gut. Addition of these phylogenetically classified, diverse, and distinct phages to public databases will facilitate taxonomic decomposition and functional characterization of human gut viromes. Video abstract.