Nature Communications 14권, 기사 번호: 4082(2023) 이 기사 인용
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세 가지 유형의 DNA 메틸 변형이 박테리아 게놈에서 발견되었으며, 기계론적 연구는 파지 방어에서 독성의 전사 제어 및 숙주-병원체 상호작용에 이르는 생리학적 기능에서 DNA 메틸화의 역할을 입증했습니다. 메틸트랜스퍼라제가 편재하고 메틸화 패턴이 엄청나게 다양함에도 불구하고 후생유전학적 다양성은 대부분의 박테리아 종에서 아직 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. Bacteroides fragilis 그룹(BFG)의 구성원은 공생 공동체의 주요 플레이어로서 인간 위장관에 거주하지만 점점 더 많은 약물에 내성이 있는 혐기성 감염을 일으킬 수도 있습니다. 이 연구에서 우리는 40년 동안 NIH 임상 센터에서 관찰된 감염으로부터 배양된 임상 BFG 분리주의 범유전체학(n = 383) 및 판게놈학(n = 268) 분석을 수행하기 위해 긴 판독 시퀀싱 기술을 활용합니다. 우리의 분석에 따르면 단일 BFG 종에는 수백 개의 DNA 메틸화 모티프가 있으며 대부분의 개별 모티프 조합은 단일 분리주에서 고유하게 발생하며 BFG 후성유전체 내에서 샘플링되지 않은 엄청난 메틸화 다양성을 암시합니다. BFG 게놈 채굴을 통해 6000개 이상의 메틸트랜스퍼라제 유전자가 확인되었으며, 그 중 약 1000개는 온전한 프로파지와 연관되어 있습니다. 네트워크 분석을 통해 서로 다른 파지 게놈 사이의 실질적인 유전자 흐름이 밝혀졌으며, 이는 BFG 후성유전체 다양성을 유도하는 궁극적인 소스 중 하나로서 BFG 파지 간의 유전적 교환 역할을 암시합니다.
게놈 DNA의 메틸화는 바이러스뿐 아니라 세포 생명체의 세 가지 영역 모두에서 감지되었습니다1,2,3. 진핵생물 게놈은 특정 CpG(5'-CG-3') 맥락 내 C5 위치(5mC)에서 시토신의 동적 메틸화를 나타내며, 특정 부위에서 이 CpG 메틸화의 조절은 전사4, 게놈 복구 역학 및 게놈 압축5에 영향을 미칩니다. 대조적으로, 박테리아는 주어진 모티프의 거의 모든 인스턴스가 메틸화될 수 있는 모티프 특이적 DNA 메틸화(예: 5'-CC-6mA-TGG-3')를 표시합니다. 진핵생물 게놈과 유사하게 5mC 변형이 일반적입니다. 그러나 박테리아 게놈은 시토신의 N4 위치(4mC)와 가장 일반적으로 아데닌의 N6 위치(6mA)6에서 추가적인 메틸화를 나타냅니다. 박테리아의 DNA 메틸화는 DNA 메틸트랜스퍼라제에 의해 수행되는데, 그 중 일부는 특정 종(예: 대장균에서 GATC를 변형하는 Dam)의 모든 계통에 존재하고 활성인 것으로 보이는 반면, 다른 DNA 메틸트랜스퍼라제와 이를 암호화하는 유전자는 일시적으로 시간이 지남에 따라 얻고 손실되며 문화의 생존에 필수적인 것은 아닙니다7. 전통적으로, 박테리아의 DNA 메틸화는 주로 제한 변형 시스템을 기반으로 한 항파지 방어의 부산물로 이해되어 왔습니다8. 그러나 종종 수천 개의 유전자좌에서 메틸화된 DNA를 유지하는 데 따른 다른 생리학적 결과가 이제 명확해졌습니다. 연구는 진핵생물 시스템에서의 관찰과 유사하게 독성 표현형9,10,11 및 기타 생리학적 프로그램12,13, 게놈 안정성14,15을 제어하고 메틸화된 모티프 내 돌연변이 빈도에 영향을 미치는 전사 활성 조절에서 박테리아 DNA 메틸화의 역할을 입증했습니다.
Bacteroides fragilis 그룹(BFG)의 박테리아는 Bacteroides, Parabacteroides 및 최근 도입된 Phocaeicola 속에서 12개 이상의 종을 나타냅니다. 이러한 풍부한 공생체는 인간의 위장관에서 혐기성으로 살고 있는 것을 쉽게 찾을 수 있으며 많은 중요한 대사 및 면역 기능에 연루되어 있습니다19,20,21. 또한 이들은 장외 혐기성 감염에서 가장 흔히 회복되는 박테리아 중 하나이며 세팔로스포린 및 카바페넴을 포함한 많은 항생제에 대한 내성이 점점 더 커지고 있습니다22,23. 이들의 광범위한 표현형 범위는 상 변이, 다당류 활용 유전자좌 배열 및 가역적 프로모터의 사용에 의해 부분적으로 가능해집니다.
5 kb each) could be detected in assemblies (Supplementary Fig. 1C). The numbers of identified rRNA operons per circular chromosome corresponded to the expected values for the species in almost all cases based on data derived from the Ribosomal RNA Database27./p>20,000 sampled genes within the dataset, implying that an immense number of additional gene families await discovery within the BFG. This pangenome openness is largely consistent with gut-derived Bacteroides metagenome assembled genomes32./p>3 kb in length encoding only accessory genes, Supplementary Data 3) were extracted from 414 genomes representing 13 species for which three or more genomes were available (378 genomes from this study and 36 genomes from NCBI)33. Comparison of each accessory region sequence with all others in this set demonstrated that >10% of such regions were shared between species, suggesting horizontal transfer (Fig. 2c). Each accessory region was probed for a variety of features, and it was found that phage, phage defense systems, DNA methyltransferases, conjugative machinery, episomes/plasmids, and antimicrobial resistance (AMR) genes were all more common in accessory regions detected in three or more species (Fig. 2c). For instance, accessory regions encoding the tetracycline resistance gene tet(Q) and/or a cassette with genes tet(X)1, tet(X)2, and the aminoglycoside modifying enzyme aadS were detected in 12 of 13 species analyzed (Fig. 2 and Supplementary Fig. 4), likely confirming a history of selective pressure from tetracycline and aminoglycoside compounds./p>95% average nucleotide identity (see Methods) (Supplementary Fig. 5A). The majority of circular contigs (550 out 575; 95.7%) had recognizable plasmid genes such as replicases or relaxases (see Methods), and a proportion of the remainder may represent replicative intermediates of transposons, but this was not analyzed further. Despite the ubiquity of both plasmids/episomes and AMR genes in the sequencing data, we found that most of these AMR genes were not located on plasmids/episomes (53 out of 1911 AMR genes were located within circular plasmid/episome contigs) among BFG species. The overwhelming majority (>97.2%) of AMR genes appeared to be located within chromosomes, and many were associated with integrative elements23. Many of the AMR genes encoded by plasmids/episomes also appeared associated with integration of integrative elements into plasmid backbones, consistent with possible shuttling of AMR genes between chromosomes and plasmids/episomes (Supplementary Fig. 5B)./p>90% of genomes in a species, ‘Shell’ was defined as presence in >10% and ≤90% genomes in a species, and ‘Cloud’ was defined as presence in <10% of genomes in a species./p>90% amino acid identity to previously identified DNA methyltransferases. Interestingly, in the course of our analysis, we observed that within each species, there is a positive correlation between genome size and number of putative DNA methyltransferases (Supplementary Fig. 6). BFG-632 is the longest genome in the entire collection, consistent with the greatest number of methyltransferases./p> = 95 and AF > = 85 were counted. Note that accessory region sequences can often consist of multiple mobile genetic elements or genomic islands in tandem, and no attempt was made to separate individual elements within these regions with the exception of bacteriophages./p>50 copies per chromosome), and in some cases these high copy number plasmids/episomes were represented in lower copy number in companion libraries sequenced on the same flow cell. We assessed that this was likely library cross-contamination and to reduce the likelihood of artifactual assignment of plasmids/episomes to the incorrect library, we excluded circular contigs with coverage that was either 80% of the coverage value of the bacterial chromosome or less or if the coverage was less than 30-fold on average across the sequence. This may have resulted in an underestimate of the true number of plasmids/episomes. Furthermore, the Flye assembler occasionally artifactually assembles sequences as concatemers of two or more tandem copies. Each circular sequence was aligned to itself with BLASTN, and, if the total length of the alignment was greater than 140% of the total length of the sequence, the episome was trimmed down to one unit length to eliminate potential artifactual tandem duplications. To determine if the filtered sequences had plasmid-associated genes, each sequence was run through MOBsuite75 followed by RPS-BLAST against the CDD database76 with flags “ -evalue 1e-2 -seg yes”. Hits were then cross-checked against a list of models related to plasmid replicases, relaxases, conjugative machinery, integrases, and transposes (Supplementary Data 14). Also, Abricate was run as described above on each sequence. Plasmids/episomes were clustered into approximate operational taxonomic units (OTUs) using anicalc and aniclust from CheckV with flags “--min_ani 95 --min_tcov 85” (minimum ANI = 95%, minimum AF = 85%). The network graph was visualized in Cytoscape77./p>10 Tb). Requests for materials associated this work require a standard NIH Material Transfer Agreement with the NIH and U.S. Government. Requests for materials should be addressed to John Dekker at [email protected]./p>
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