口腔菌群获得性免疫元件CRISPR与牙周健康状况的偶联机制研究

The clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) provide bacteria with acquired immunity to previously encountered phages and record the defensive process in host genomes. Till now, little is known on the composition and variation of CRISPRs in human oral microbiota, and especially the role of phages on shaping healthy and diseased oral cavities. In this study, we will identify CRISPRs from high-throughput metagenomic data by using multi-strategies, and we intend to discover the diversity, clustering, variable sites, phylogenetic and evolutionary relationships of the CRISPR direct repeats and spacers in human oral microbiota, and emphasize on their variation under different oral statuses including health, gingivitis and chronic periodontitis. To demonstrate the effect of CRISPRs and phages on bacterial community succession, in addition to reveal their potential implications on oral health and disease, the correlation between CRISPRs and the taxonomic spectra of bacteria/phages will also be explored. This project will focus on the pathogenic mechanism of oral disease from a metagenomic point of view, and may shed light on prevention, diagnosis and therapy of the periodontal disease.

簇状规则间隔的短回文重复序列（CRISPRs）赋予了细菌对抗不断侵袭的噬菌体的能力，并将防御历程记录在细菌基因组之中。但目前我们对CRISPR在人体口腔微生物群中的组成与变化，以及由此反映出的噬菌体对口腔菌群结构、健康-疾病状态改变的影响尚缺乏认识。本项目将从挖掘和筛选宏基因组数据中的目标序列出发，结合特异性扩增和定量分析技术，研究口腔菌群获得性免疫元件CRISPRs重复序列和居间序列的多样性、聚类关系、变异位点、系统发育和进化等，重点揭示健康、龈炎和慢性牙周炎等不同口腔状况下CRISPR组成与变化的一般规律。同时，拟通过研究CRISPRs与包括细菌和噬菌体在内的口腔微生物物种谱的相关性，阐述CRISPRs、噬菌体在细菌群落演化过程中发挥的生物学作用，进而讨论它们与牙周健康和疾病的潜在联系。本研究将从宏基因组尺度探讨牙周疾病的形成机制，预期结果可以为相关疾病的预防和诊治提供有价值的信息。

CRISPRs将遭遇的噬菌体侵染及防御过程记录在细菌基因组之中，但目前我们对CRISPR在人体口腔微生物群中的组成与变化，以及由此反映出的噬菌体对口腔菌群结构、健康-疾病状态改变的影响尚缺乏认识。本项目研究口腔菌群CRISPRs重复序列和居间序列，重点揭示不同口腔健康状况下CRISPR组成与变化的特征，并通过研究CRISPRs与细菌和噬菌体的相关性，阐述CRISPRs、噬菌体在细菌群落演化过程中发挥的生物学作用，进而讨论它们与牙周健康和疾病的潜在联系。我们从HMP中获取了124,534条细菌基因组序列，对CRISPR结构进行识别和DR特征序列抽提，共获得1,424种DR序列。从近20个宏基因组测序数据集的短reads中分别得到966,582个DRs和15,893,240个spacers，包括1,411和46,279个独特的DR和spacer类型。对超过100 Gb的宏基因组数据进行了拼接，识别出1,711条潜在的噬菌体contigs。结果发现人体口腔微生物CRISPR的来源和变化十分多样，其组成不仅与物种丰度，且与物种种类有关。健康人与牙周炎病人口腔菌群的CRISPR在组成上差异显著，提示CRISPR在维持不同环境中的噬菌体-宿主平衡关系上可能起重要作用。根据数据分析结果本研究提出，健康人菌群的CRISPR因为拥有更多的spacer并且组成趋于稳定，使得他们拥有更广泛的噬菌体防御范围，稳健性更强，也更有利于维护口腔菌群处于健康状态。基于识别出的CRISPR阵列，首次建立了口腔噬菌体与细菌之间的侵染关系，并发现其中存在一类具有多重侵染能力的特殊噬菌体类群，它们在数量上与牙周健康/致病菌之间存在着强烈的相关性，因此可能在口腔健康中发挥关键作用。本项目从宏基因组数据挖掘和菌群角度探讨牙周疾病的形成机制，结果为相关疾病的预防和诊治提供有价值的信息。