噬菌体与CRISPR协同对肠道初始菌群建立及动态调控的作用研究

Phage changes micro-ecosystem and impacts on human physiological health in many ways. Shaping microbial community structure and controlling biofilm formation are two of the most critical ways. Although it is widely accepted that phages are important to human health, till now, little is known about their distribution and specific roles they played in intestinal flora. In this project, we will explore the composition and variation of virome in initial microbiota of human gut by analyzing high-throughput sequencing data of intestinal microbiome from newborns and their mothers. We will clarify infective relationships between phages and their bacterial hosts via identification of lysogenic phage and CRISPR arrays, and will emphasize on temporal and spatial dynamics and correlation of phage, CRISPR and bacteria. To elucidate predation effect of phage species and titer on bacteria, defense reaction of bacterial CRISPR, and collapse and rebuilding of microbial community after host bacteria being preyed, ecological experiment will also be carried out by adding phages of major gut bacteria to fecal bacteria cultures and intestinal tracts of neonatal mice. This project will help to reveal the predator-prey relation and regulative mode between phage and bacteria, and to improve our understanding on human microbiome, which may shed some light on elaborate control of microbiota regulation in addition to phage therapy.

塑造菌群结构和控制生物膜形成，是噬菌体改变微生态环境并参与人体生理健康的重要形式，但目前对它们在肠道中的分布规律以及菌群调控机制的认识仍极为有限。本项目拟从分析新生儿及其母亲肠道微生物组数据出发，研究人体肠道初始菌群中病毒组的组成及变化。依靠溶原性噬菌体序列与CRISPR阵列识别等方法，解析噬菌体与细菌宿主的侵染关系并重点关注噬菌体、CRISPR与细菌群落的时空动态和相关性。在此基础上，拟通过引入主要肠道细菌的噬菌体开展体外模拟和幼鼠肠道实验，阐明噬菌体种类及浓度变化对宿主菌的调控效果、CRISPR对噬菌体侵袭的抵御作用，以及宿主菌被捕食后微生物群落的崩塌和重建过程。本项目有助于深入揭示噬菌体与细菌宿主间的侵染关系和调控方式，增加对人体微生物组的理解和认识，为精细操作噬菌体塑造菌群，进而靶向治疗疾病奠定理论基础及数据支持。

为了发现生命活动初期人体肠道病毒组的动态变化过程、细菌获得性免疫元件组成随时间的演化规律，以揭示噬菌体与CRISPR协同作用在初始菌群建立及动态调控中的作用机制，本项目利用开发的计算方法和工具，对1956个0-3岁婴幼儿的13776个肠道菌群数据进行了分析和数据挖掘，探索了肠道初始菌群的建立及动态变化，追踪了噬菌体和细菌在母子之间的传递以及在新生儿出生后随时间推移的变化过程及对环境的响应。基于CRISPR阵列建立了噬菌体与细菌宿主的侵染关系，研究了新生儿肠道噬菌体与细菌种群变化的数量关系，从时间上分析了CRISPR与噬菌体以及噬菌体与细菌的相关性。结果发现，新生儿刚出生时初始肠道菌群即存在病毒，且以噬菌体为主，在0-6个月比6-18个月的变化幅度略大；分娩方式能够影响新生儿噬菌体群落，顺产分娩的噬菌体多样性更高，富含肠杆菌和大肠杆菌的噬菌体；在患有妊娠期糖尿病的孕妇和健康孕妇所生的新生儿肠道菌群中，噬菌体群落没有显示出明显差异；我们还发现出生后3年内，初始菌群中厚壁菌和双歧杆菌的优势地位被拟杆菌和普氏菌的优势所取代，双歧杆菌的减少和拟杆菌的增加与相应噬菌体的丰度变化显著相关，提示噬菌体可能参与了肠型转变过程中肠型菌丰度的调控；我们也分离了肠球菌和志贺氏菌等肠道细菌的噬菌体并进行了全基因组测序，噬菌体基因组完成度均达到99%以上；利用分离得到了细菌和噬菌体构建了体外肠道菌群模拟培养体系，发现噬菌体的加入及特异性的宿主菌抑制会影响到与该菌具有相互作用的其它细菌的生长，从而调控整个菌群结构。这些研究结果揭示了人体肠道初始菌群中的噬菌体组成及其在孕婴间的传递规律，阐明了生命活动早期首先出现在肠道中的噬菌体种类、个体间分布特征，以及新生儿肠道初始噬菌体群落动态与孕期健康之间的联系，为精细操作噬菌体塑造菌群，进而靶向治疗疾病奠定了理论基础及数据支持。