英文标题：Chromosome folding and prophage activation reveal specific genomic architecture for intestinal bacteria

中文标题：metaHi-C揭示肠道细菌的三维基因组折叠与前噬菌体激活机制

发表时间&期刊：2023.05 & Microbiome（IF：13.8）

测序技术：metaHi-C 

1. 体外OMM¹²细菌染色体折叠的研究揭示了细菌基因组结构的共同原理

对12株细菌进行了Hi-C测序，Hi-C热图的对角线反映了邻近位点之间频繁的局部联系，同时观察到这12株细菌的染色质相互作用域，大小从几十到几百千碱基不等。此外，还揭示了细菌染色体结构的多样性，如B. coccoides和L. reuteri中的弓形信号。

图1 OMM¹²细菌的Hi-C互作热图

2. ParS位点是ori域折叠的主要驱动因素

利用parS一致性序列，检测到这12个基因组中的parS位点数量在1到10之间，并沿染色体分布不同，多数parS位点都聚集在次对角线的交叉处。根据parS簇和GC偏移确定了染色体上的复制起始点位置，parS簇还与一个大的起源域或发夹结构的存在有关。L. reuteri的情况特殊，检测到三个相对较远的parS位点，但仍围绕着复制起始点分布，每个位点都与不同的3D接触模式相关联。

图2 parS位点及其在ori域折叠中的意义

3. 细菌染色体结构在小鼠肠道环境中呈现变化但保持稳定

对小鼠粪便进行了metaHi-C测序，Hi-C热图显示不同基因组之间没有背景信号，表明该技术的可行性，并得到了其中6株细菌（B. caecimuris, E. clostridioformis, A. muciniphila, M. intestinale, C. innocum, B. coccoides）的单独Hi-C热图。像次对角信号这样的大结构在肠道环境中被保留，而局部结构存在差异。用HiCRep进行比较得出，不同时间节点的单个细菌Hi-C热图高度相似，表明观察到的3D结构和整体细菌群落的稳定性。

图3 肠道环境中染色体结构的稳定性

4. 前噬菌体预测分析

12株细菌共鉴定出44个前噬菌体，其中E. clostridioformis鉴定出13个。14个前噬菌体展示出类似CID的模式，可以使用隔离分数来细化它们的坐标。随后分析了体内的Hi-C数据，上述的14个前噬菌体中，有4个在体外/体内条件下表现出相似的模式。总的来说，在7株细菌中，共有16个标记为前噬菌体的区域在体外和体内条件下表现出不同强度和模式的3D特征，反映了这些遗传元件的不同活性。

图4 OMM¹²细菌的Hi-C热图和前噬菌体区域

5.前噬菌体基因组特征

使用PHROG数据库对前噬菌体基因组进行注释，至少25%至60%的基因具有假定的功能，包括所有基因组中的终止酶或门户蛋白这两种标志蛋白。在nt数据库进行同源BLAST，结果显示较远的亲缘性，表明这些噬菌体大部分是新发现的，为新病毒分支的产生提供了充分的基础。

图5 前噬菌体的遗传图谱

研究强调了OMM¹²模型小鼠用于研究肠道病毒动力学和随时间和环境变化的演化的重要性。这些数据证明了Hi-C方法在揭示新颖的染色体结构以及检测前噬菌体动态方面的效用，为从相关性研究向因果关系研究迈进提供了途径。将此方法与其他技术相结合，将有助于我们更好地理解三维结构与哺乳动物肠道中前噬菌体生理状态之间的联系。

参考文献：

[1] Quentin Lamy-Besnier, Amaury Bignaud, Julian R. Garneau, et al. Chromosome folding and prophage activation reveal specific genomic architecture for intestinal bacteria. Microbiome. 2023