DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01262-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38945961
تاريخ النشر: 2024-07-01
المؤلف: Nayeon Kim وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبيوم المعوي والصحة
نظرة عامة
يتناول القسم ظهور طب الميكروبيوم، وهو مجال جديد في البحث البيولوجي الطبي يركز على فهم دور البكتيريا المتعايشة في الأمراض البشرية. يهدف هذا المجال من الدراسة إلى استخدام الميكروبات البشرية ومستقلباتها في الوقاية من الأمراض وعلاجها. تاريخياً، اعتمدت الأبحاث بشكل أساسي على تسلسل 16S amplicon، والذي، على الرغم من كونه أساسياً لعلم الأنساب البكتيري، إلا أن له قيوداً في ترجمة تسلسلات النوكليوتيدات القصيرة إلى رؤى وظيفية وتصنيف شامل للميكروبيوم.
لقد حسنت التقدمات الأخيرة في الميتاجينوميات المعتمدة على الجينوم، التي تعيد بناء الجينومات الميكروبية من بيانات تسلسل الميتاجينوم الكامل، بشكل كبير من فهمنا للمجتمعات الميكروبية المرتبطة بالبشر. إن تزايد توفر بيانات تسلسل الميتاجينوم الكامل وتجميع الجينومات الجديدة المجمعة من الميتاجينوم في قواعد البيانات العامة أمر محوري لهذا البحث. يسلط هذا الاستعراض الضوء على المنهجيات والقدرات للميتاجينوميات المعتمدة على الجينوم، خاصة في سياق ميكروبيوم الأمعاء البشرية. يقترح المؤلفون أنه تماماً كما أن فك شفرة الجينوم البشري بدأ عصر الطب الجينومي، فإن استكشاف الجينومات الميكروبية المتعايشة يدفعنا إلى عصر طب الميكروبيوم، مع كون الميتاجينوميات المعتمدة على الجينوم أداة حاسمة في هذا التقدم العلمي.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على الدور المهم للميكروبيوم البشري، الذي يتكون من خلايا ميكروبية متعايشة تفوق عدد خلايا الإنسان وتؤثر على العمليات الفسيولوجية. مع تزايد فهم دور الميكروبات المتعايشة في الأمراض البشرية، ظهر طب الميكروبيوم، الذي يهدف إلى استخدام الميكروبات ومستقلباتها في الوقاية من الأمراض وعلاجها. إن الفهم الشامل للتصنيف والتنظيم الوظيفي للميكروبيوم أمر ضروري لتقدم هذا المجال. كانت طرق البحث التقليدية، وخاصة تسلسل جين 16S rRNA، محدودة في قدرتها على تقديم دقة تصنيف تفصيلية ورؤى وظيفية، مشابهة للتحديات التي واجهت علم الوراثة البشرية قبل رسم خريطة الجينوم البشري.
يدعو المؤلفون إلى تحول في النموذج في طب الميكروبيوم، مقترحين فك الشفرة الجينومية الكاملة لجميع الأنواع الميكروبية المتعايشة لتسهيل تحديد علامات حيوية جديدة وأهداف علاجية. لقد حسنت التقدمات الأخيرة في الميتاجينوميات المعتمدة على الجينوم والأساليب الحاسوبية للجينومات المجمعة من الميتاجينوم (MAGs) بشكل كبير من القدرة على تجميع الجينومات من بيانات الميتاجينوم، مما يسرع البحث في الميكروبيوم البشري، وخاصة ميكروبيوم الأمعاء. بينما يركز الاستعراض على الميكروبات المتعايشة بدائية النواة، فإنه يعترف بإمكانية تطبيق منهجيات مماثلة على مجتمعات ميكروبية أخرى، بما في ذلك الفطريات والفيروسات.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التقدمات الكبيرة في تحليل الميكروبيوم من خلال تسلسل الميتاجينوم الكامل (WMS) والميتا جينوميات المعتمدة على الجينوم. لعب مشروع الميكروبيوم البشري (HMP) دوراً محورياً في انتقال أبحاث الميكروبيوم نحو WMS، حيث قدم مجموعات بيانات واسعة ساعدت في تطوير أدوات المعلوماتية الحيوية لتحليل الميكروبيوم البشري. على الرغم من النمو السريع لمجموعات بيانات WMS العامة، التي تجاوزت 110,000 عينة بحلول عام 2023، إلا أن هناك تحيزاً جغرافياً ملحوظاً، مع تمثيل ناقص من العديد من الدول الآسيوية والأفريقية. يبرز هذا الفجوة الحاجة إلى جمع بيانات أكثر شمولاً لتحقيق فهم شامل لميكروبيوم الأمعاء البشرية، الذي يتأثر بعوامل غذائية ونمط حياة متنوعة.
يتناول القسم أيضاً الإمكانيات التحويلية للميتا جينوميات المعتمدة على الجينوم، التي تسمح بتجميع وتحليل الجينومات الميكروبية الفردية من المجتمعات المختلطة. تتجاوز هذه الطريقة تسلسل 16S rRNA التقليدي من خلال تقديم رؤى أعمق حول التنوع الميكروبي والإمكانات الوظيفية. تتضمن عملية التجميع إنشاء جينومات مجمعة من الميتاجينوم (MAGs) من خلال نهج من خطوتين للتجميع والتصنيف، مع التركيز على الحفاظ على خصوصية السلالة وتقليل التلوث. كما تتناول المناقشة أهمية التصنيف الدقيق من خلال قاعدة بيانات تصنيف الجينوم (GTDB)، التي تعزز من تحديد الأنواع الجديدة وتوسع الشجرة النشوء والتطور. بشكل عام، فإن التقدمات في تقنيات الميتاجينوم وإنشاء قواعد بيانات مرجعية شاملة أمران حاسمان لتوضيح تعقيدات الميكروبيوم البشري وآثاره على الصحة.
القيود
يسلط القسم الخاص بالقيود الضوء على عدة تحديات متأصلة مرتبطة بتسلسل جين 16S rRNA والميتا جينوميات المعتمدة على الجينوم في تحليل المجتمعات الميكروبية. أولاً، بينما يعد تسلسل 16S rRNA طريقة فعالة من حيث التكلفة للتصنيف، فإنه غالباً ما يفشل في تمييز الأنواع والأنواع الفرعية بسبب نقص تنوع التسلسل. تتفاقم هذه القيود بسبب عدم قدرة تسلسلات 16S rRNA على تقديم رؤى حول القدرات الوظيفية الميكروبية، حيث تعتمد أدوات مثل PICRUSt على بيانات جينومية محدودة لتوقعات المسارات الأيضية. بالإضافة إلى ذلك، فإن التركيز على التسلسلات بدائية النواة يستبعد الكائنات غير البكتيرية، والاعتماد على قواعد البيانات الحالية يعيق اكتشاف الأنواع الميكروبية الجديدة، والتي غالباً ما يشار إليها باسم “المادة الميكروبية المظلمة”.
في مجال الميتاجينوميات المعتمدة على الجينوم، لا تزال التحديات قائمة، خاصة فيما يتعلق بجودة واكتمال الجينومات المجمعة من الميتاجينوم (MAGs). العديد من MAGs في قواعد البيانات الحالية غير مكتملة، مما يؤثر على دقة تحليلات الميكروبيوم. هناك جهود جارية لبناء MAGs كاملة (cMAGs)، باستخدام تقنيات تسلسل هجينة وطويلة القراءة عالية الدقة للتغلب على قيود طرق القراءة القصيرة التقليدية. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي التمثيل الناقص للسكان المتنوعين في بيانات الميكروبيوم إلى تفسيرات منحازة للتنوع الميكروبي والارتباطات المرضية. أخيراً، لا تزال تطبيقات الميتاجينوميات المعتمدة على الجينوم على عينات ذات كتلة حيوية منخفضة، مثل ميكروبيومات الأنسجة، صعبة، على الرغم من أن التقدم في تقنيات إزالة الحمض النووي المضيف يحسن من إمكانية إعادة بناء MAGs في هذه السياقات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s12276-024-01262-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38945961
Publication Date: 2024-07-01
Author(s): Nayeon Kim et al.
Primary Topic: Gut microbiota and health
Overview
The section discusses the emergence of microbiome medicine, a new field in biomedical research that focuses on understanding the role of commensal bacteria in human diseases. This area of study aims to utilize the human microbiota and its metabolites for disease prevention and treatment. Historically, research has predominantly relied on 16S amplicon sequencing, which, while foundational for bacterial phylogeny, has limitations in translating short nucleotide sequences into comprehensive functional and taxonomic insights of the microbiome.
Recent advancements in genome-resolved metagenomics, which reconstructs microbial genomes from whole-metagenome sequencing data, have significantly enhanced our understanding of human-associated microbial communities. The increasing availability of whole metagenome sequencing data and the compilation of novel metagenome-assembled genomes in public databases are pivotal for this research. This review highlights the methodologies and capabilities of genome-resolved metagenomics, particularly in the context of the human gut microbiota. The authors suggest that just as the decoding of the human genome initiated the genomic medicine era, the exploration of commensal microbial genomes is propelling us into the era of microbiome medicine, with genome-resolved metagenomics serving as a crucial tool in this scientific advancement.
Introduction
The introduction of the paper highlights the significant role of the human microbiome, which consists of symbiotic microbial cells that outnumber human cells and influence physiological processes. As the understanding of commensal microbes’ involvement in human diseases has grown, microbiome medicine has emerged, aiming to utilize microbiota and their metabolites for disease prevention and treatment. A thorough understanding of the microbiome’s taxonomic and functional organization is essential for advancing this field. Traditional research methods, particularly 16S rRNA gene sequencing, have been limited in their ability to provide detailed taxonomic resolution and functional insights, akin to the challenges faced in human genetics before the mapping of the human genome.
The authors advocate for a paradigm shift in microbiome medicine, proposing the complete genomic decoding of all commensal microbial species to facilitate the identification of new biomarkers and therapeutic targets. Recent advancements in genome-resolved metagenomics and computational methods for metagenome-assembled genomes (MAGs) have significantly enhanced the ability to assemble genomes from metagenomic data, thereby accelerating research in the human microbiome, particularly the gut microbiome. While the review focuses on prokaryotic commensal microbes, it acknowledges the potential for similar methodologies to be applied to other microbial communities, including fungi and viruses.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights significant advancements in microbiome analysis through whole-metagenome sequencing (WMS) and genome-resolved metagenomics. The Human Microbiome Project (HMP) played a pivotal role in transitioning microbiome research towards WMS, providing extensive datasets that have facilitated the development of bioinformatics tools for analyzing the human microbiome. Despite the rapid growth of public WMS datasets, which exceeded 110,000 samples by 2023, a notable geographical bias exists, with underrepresentation from many Asian and African countries. This gap underscores the need for more inclusive data collection to achieve a comprehensive understanding of the human gut microbiome, which is influenced by diverse dietary and lifestyle factors.
The section further elaborates on the transformative potential of genome-resolved metagenomics, which allows for the assembly and analysis of individual microbial genomes from mixed communities. This method surpasses traditional 16S rRNA sequencing by providing deeper insights into microbial diversity and functional potential. The assembly process involves generating metagenome-assembled genomes (MAGs) through a two-step approach of assembly and binning, with an emphasis on maintaining strain specificity and minimizing contamination. The discussion also addresses the importance of accurate taxonomic classification through the Genome Taxonomy Database (GTDB), which enhances the identification of novel species and expands the phylogenetic tree. Overall, the advancements in metagenomic techniques and the establishment of comprehensive reference databases are crucial for elucidating the complexities of the human microbiome and its implications for health.
Limitations
The section on limitations highlights several inherent challenges associated with 16S rRNA gene sequencing and genome-resolved metagenomics in microbial community analysis. Firstly, while 16S rRNA sequencing is a cost-effective method for taxonomic classification, it often fails to differentiate species and subspecies due to insufficient sequence variation. This limitation is compounded by the inability of 16S rRNA sequences to provide insights into microbial functional capabilities, as tools like PICRUSt rely on limited genomic data for metabolic pathway predictions. Additionally, the focus on prokaryotic sequences excludes nonbacterial organisms, and the reliance on existing databases hampers the discovery of novel microbial species, often referred to as ‘microbial dark matter.’
In the realm of genome-resolved metagenomics, challenges persist, particularly concerning the quality and completeness of metagenome-assembled genomes (MAGs). Many MAGs in current databases are incomplete, which affects the accuracy of microbiome analyses. Efforts to construct complete MAGs (cMAGs) are underway, utilizing hybrid and high-fidelity long-read sequencing techniques to overcome the limitations of traditional short-read methods. Furthermore, the underrepresentation of diverse populations in microbiome data can lead to skewed interpretations of microbial diversity and disease associations. Lastly, the application of genome-resolved metagenomics to low-biomass samples, such as tissue microbiomes, remains difficult, although advancements in host DNA removal techniques are improving the feasibility of reconstructing MAGs in these contexts.