Il microbiota intestinale è un ecosistema microbico complesso che svolge ruoli importanti nello sviluppo e nella salute dell’uomo. Sebbene spesso trascurati, si stima che i virus siano abbondanti nel microbiota e siano associati ad alcune patologie.
In particolare, i batteriofagi, cioè i virus che infettano i batteri, costituiscono la maggior parte delle particelle virali. Essi possono influenzare l’ecosistema microbico attraverso la predazione dei batteri, il ciclo lisogeno e il trasferimento genico orizzontale.
Nonostante la loro ubiquità, la conoscenza della diversità genomica virale nel microbioma umano è limitata e la maggior parte delle sequenze virali non sono rappresentate nei database esistenti del genoma.
Ad oggi, numerosi studi hanno identificato i genomi fagici da campioni fecali umani attraverso un’ampia varietà di fenotipi. Ad esempio, Soto-Perez et al. hanno creato il Human Virome Database (HuVirDB), Gregory et al. il Gut Virome Database (GVD), Paez-Espino et al. hanno elaborato il IMG/VR database.
Metagenomic Gut Virus
Per ampliare queste risorse già esistenti e fornire una visione complementare del viroma intestinale, il gruppo di ricerca capitanato da Stephen Nayfach ha effettuato un’identificazione su larga scala di genomi virali ottenuti da campioni di feci umane.
Tali dati sono stati presi da 61 studi precedentemente pubblicati, provenienti da 24 paesi, il 46% dall’Europa, il 23% dalla Cina e il 13% dagli Stati Uniti. Le caratteristiche degli individui erano molto eterogenee, tra età, stili di vita e stati di malattia.
I risultati pubblicati su Nature Microbiology hanno rivelato 3,5 milioni di genomi virali unici, a single-contig, lunghi più di 1 kb.
Tutti questi dati sono stati sfruttati per sviluppare il Metagenomic Gut Virus (MGV).
Oltre 180mila genomi virali
Il MGV contiene 189.680 bozze di genomi virali ottenuti da 11.810 metagenomi, i quali si stima che siano completi al 50% o più e che rappresentino 54.118 specie candidate come virali, il 92% delle quali non è stato trovato nei database esistenti.
26.030 genomi completi sono stati identificati sulla base delle ripetizioni terminali dirette (n = 19.704), dei confini ospite-provirus (n = 5.123) e delle ripetizioni terminali invertite (n = 1.203).
Per migliorare la qualità del genoma, sono state rimosse le regioni ospiti fiancheggianti queste sequenze e, per confermare che i genomi virali fossero privi di contaminazione dell’ospite, è stato identificato solo un gene rRNA 16S a lunghezza intera tra tutti i 189.680 virus rispetto agli 83.050 geni rRNA 16S nell’intero set di metagenomi utilizzati.
Prevedere quali cellule batteriche vengono infettate dai batteriofagi rappresenta un primo passo essenziale per lo sviluppo di terapie innovative.
Pertanto, sono state analizzate le interazioni dei virus con i Batteri e gli Archea intestinali umani attraverso l’estrazione di 1.846.441 geni spaziatori CRISPR ottenuti dall’ Unified Human Gastrointestinal Genome (UGH).
Come previsto, la maggior parte dei distanziatori CRISPR è risultata essere collegata ai Firmicutes (prevalentemente Clostridia) e Bacteroidia, che sono due phyla dominanti nel microbiota intestinale.
Questi risultati mostrano come le interazioni del virus con l’ospite possano essere chiarite attraverso l’assemblaggio di genomi sia virali, sia microbici dallo stesso ambiente
Infine, sono stati raggruppati 459.375 cluster di proteine virali per studiare il potenziale del viroma intestinale.
Ciò ha rivelato decine di migliaia di elementi rappresentanti di diversità, che utilizzano la trascrizione inversa soggetta a errori per mutare i geni bersaglio e potrebbero essere coinvolti negli “armamenti molecolari” tra i fagi e i loro ospiti batterici.
Conclusioni
In conclusione, questi genomi espandono notevolmente la già nota diversità dei virus a DNA del microbiota intestinale e, in aggiunta, migliorano la conoscenza della relazione ospite-virus.
Il Metagenomic Gut Virus rappresenta una grande risorsa contenente un’ampia diversità genomica virale assente in altri database, che migliora il rilevamento dei virus nei microbiomi e rappresenta numerosi gruppi virali diversi e precedentemente non caratterizzati.
Attraverso una combinazione di approcci, è stato possibile prevedere i legami del virus con l’ospite che rispecchiano la maggior parte della diversità virale e procariotica nel microbioma intestinale.
Tale database servirà anche per approfondire lo studio del ruolo del viroma intestinale nella salute e nelle malattie umane.
