基于cpn60基因转录活性的微生物组组成与活性精准表征框架

《Microbiome》：Using the housekeeping gene cpn60 as a marker for microbial community profiling and viability assessment

　　

摘要

高通量测序彻底改变了微生物组研究，然而在复杂群落中区分活菌与非活菌仍然是一项挑战。微生物活性是微生物组功能的基础，而该功能主要由存活的、活跃的成员驱动。基因的转录活性被提出作为一种活性标志物，但在复杂群落中尚未得到系统性探索。在此，我们发现，无论是群落层面的转录还是cpn60基因活性，都能有效量化群落组成并鉴定活性成员。对于靶向cpn60扩增子，编码蛋白质的RNA活性比16S rRNA扩增子更好地捕捉了活跃群落之间的差异结构。为实现可扩展的应用，我们构建了一个扩展数据库，整合了多样化的cpn60蛋白质和核苷酸序列，大幅扩展了现有的cpnDB数据库。在人类微生物组项目II（HMP II）数据中，基于cpn60蛋白的分类学与鸟枪法宏基因组图谱高度一致。Cpn60转录本丰度与通过bPTR方法估算的细菌生长速率呈正相关，表明其作为微生物转录活性和活性标志物的潜力。此外，它还能区分肠道常驻微生物与可能短暂存在的成员（例如口腔特征性成员）。综合这些结果，我们的研究表明，在单一cpn60位点整合DNA和RNA序列，能够精确描绘微生物组的组成与活性，提供了一种成本效益高的框架，可推广至其他合理选择的基因以及多样的生态系统。

视频摘要

高通量测序彻底改变了微生物组研究，然而在复杂群落中区分活菌与非活菌仍然是一项挑战。微生物活性是微生物组功能的基础，而该功能主要由存活的、活跃的成员驱动。基因的转录活性被提出作为一种活性标志物，但在复杂群落中尚未得到系统性探索。在此，我们发现，无论是群落层面的转录还是cpn60基因活性，都能有效量化群落组成并鉴定活性成员。对于靶向cpn60扩增子，编码蛋白质的RNA活性比16S rRNA扩增子更好地捕捉了活跃群落之间的差异结构。为实现可扩展的应用，我们构建了一个扩展数据库，整合了多样化的cpn60蛋白质和核苷酸序列，大幅扩展了现有的cpnDB数据库。在人类微生物组项目II（HMP II）数据中，基于cpn60蛋白的分类学与鸟枪法宏基因组图谱高度一致。Cpn60转录本丰度与通过bPTR方法估算的细菌生长速率呈正相关，表明其作为微生物转录活性和活性标志物的潜力。此外，它还能区分肠道常驻微生物与可能短暂存在的成员（例如口腔特征性成员）。综合这些结果，我们的研究表明，在单一cpn60位点整合DNA和RNA序列，能够精确描绘微生物组的组成与活性，提供了一种成本效益高的框架，可推广至其他合理选择的基因以及多样的生态系统。

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