Новый каталог кишечных бактериофагов содержит более 140000 геномов

Ученые из Великобритании рассказали в Cell о базе GPD, включающей 142 809 фаговых геномов.

Бактериофаги — вирусы бактерий и архей — играют важную роль в эволюции микробных сообществ. Фаги осуществляют горизонтальный перенос генов, кодируют вспомогательные для своих хозяев функции и коэволюционируют вместе с ними. С развитием метагеномики увеличивалось количество геномов бактериофагов, которые, однако, практически не были классифицированы и систематизированы. В частности, неохарактеризованной осталась большая часть вирусов, связанных с кишечной микробиотой человека.

Ранее ученые из США предприняли попытку решения этой проблемы, однако созданная ими база GVD содержит всего около 700 геномов. Эти геномы довольно короткие (менее 15 килобаз), в то время как средняя длина генома фага из порядка Caudovirales, распространенного в кишечнике человека, составляет около 50 килобаз. Авторы новой работы создали базу GPD, включающую 142 809 фаговых геномов, 40 000 из которых — это геномы высокого качества с медианной длиной около 48 килобаз.

Чтобы создать такую базу, ученые использовали 28 060 метагеномов кишечника человека из открытых источников и 2 898 референсных геномов кишечных бактерий. Сначала они отделили последовательности бактериофагов в метагеномах от последовательностей бактерий (например, по разнице в GC-составе). После этого при помощи алгоритма машинного обучения из набора данных удалили последовательности мобильных генетических элементов.

Затем авторы работы оценили разнообразие полученных геномов, опираясь на известные базы данных (GVD, IMG/VR, Refseq). В результате 80% геномов не удалось отнести к какому-либо семейству фагов. Остальные геномы принадлежали представителям семейств Podoviridae, Siphoviridae, Myoviridae из порядка Caudovirales.

Новая база данных имеет уникальную особенность: для более, чем 40 000 фаговых геномов определены бактериальные хозяева. Ученые добились этого, сравнивая последовательности вирусов с содержащимися в геномах бактерий следами фагов: спейсерами CRISPR и профагами. Оказалось, что хозяева большинства фагов кишечника относятся к филуму Firmicutes. При этом 64,5% вирусов специфично инфицируют отдельные виды бактерий, а у 0,13% спектр хозяев расширен до филума.

Ученые также обнаружили, что фаговые виромы жителей Северной Америки, Европы и Азии сильно отличаются от виромов людей из Африки и Южной Америки. Это может быть связано с образом жизни: урбанизацией, жизнью в общине охотников-собирателей или аграрном обществе. При этом широко распространенные по миру бактериофаги поражают больший спектр хозяев, чем те, что характерны для жителей отдельных континентов.

Доктор Тревор Лавли, главный автор исследования и руководитель научной группы в Институте Wellcome Sanger, отмечает: «Изучение бактериофагов в настоящее время переживает возрождение. Этот высококачественный, крупномасштабный каталог вирусов появился в нужный момент, чтобы стать проводником для экологического и эволюционного анализа в будущих виромных исследованиях».