From sequences to knowledge: challenges and opportunities of genome-resolved metagenomics

Abstract

Inimese soolestikus elab suur hulk baktereid ja teisi mikroorganisme, kes aitavad seedida toitu, toetavad immuunsüsteemi, toodavad olulisi keemilisi ühendeid ning võivad kaitsta meid haigustekitajate eest. Samas võivad mõned mikroobide tegevused olla seotud haiguste tekkega. Kuigi soolestiku mikrobioomi seos inimese tervisega on selge, ei tea me veel piisavalt, mida mikroobid täpselt teevad ja miks võivad sama liigi mikroobid erinevalt mõjuda. Käesolev doktoritöö uurib seda küsimust genoomipõhise metagenoomika abil, mis võimaldab taastada mikroobide genoome metagenoomsetest järjestusandmetest. Doktoritöö põhineb Eesti mikrobioomi kohordi andmetel ja keskendub sellele, mida annab mikrobioomi uurimisel juurde genoomitaseme täpsus. Esmalt näidati, et kahel lühikeste lugemitega sekveneerimisplatvormil saadud metagenoomiandmed annavad taksonoomilise koostise kohta väga sarnase tulemuse. See toetab eri platvormidel toodetud andmete kooskasutamist, kuid näitab ka, et funktsionaalne analüüs on tehniliste erinevuste suhtes tundlikum. Teiseks taastati sügavalt sekveneeritud kohordiproovidest populatsioonipõhine mikroobigenoomide kogu. Selle töö tulemusena saadi 84 762 metagenoomi põhjal taastatud genoomi, mis esindavad 2 257 bakterite ja arhede liiki, sealhulgas 353 varem kirjeldamata liiki. Lisaks täiendati Eesti populatsiooni põhjal inimese soolestiku arhede referentskogu. Seda genoomide kogu kasutades töötati doktoritöös välja raamistik mikrobioomi ja tervise seoste uurimiseks senisest täpsemal, liigisisest varieeruvust arvestaval tasandil. Tulemused näitasid, et osa tervisega seotud seoseid ilmneb alles siis, kui vaadata mikroobiliigi sisse. See on oluline, sest sama mikroobiliigi esindajad võivad kanda erinevaid geene, omada erinevat funktsionaalset võimekust ning seetõttu mõjutada inimese organismi erineval viisil. Kokkuvõttes näitab doktoritöö, et populatsioonipõhised mikroobigenoomide andmebaasid ja täpsemad analüüsimeetodid aitavad liikuda küsimuselt, millised mikroobid on olemas, edasi küsimuseni, millised mikroobide genoomsed variandid võivad mõjutada inimese tervist.

The human gut contains a large community of bacteria and other microorganisms that help digest food, support the immune system, produce important chemical compounds and can protect us from pathogens. At the same time, certain microbial activities may also contribute to disease. Although the gut microbiome is clearly connected with human health, we still do not fully understand what microbes do and why microbes belonging to the same species may have different effects. This thesis addresses this question using genome-resolved metagenomics, which makes it possible to reconstruct microbial genomes from metagenomic sequencing data. The thesis is based on data from the Estonian Microbiome Cohort and focuses on what genome-level resolution adds to microbiome research. First, it showed that metagenomic data generated on two short-read sequencing platforms produced highly similar results for taxonomic composition. This supports the combined use of data generated on different platforms, while also showing that functional analysis is more sensitive to technical differences. Second, deeply sequenced cohort samples were used to reconstruct a population-specific collection of microbial genomes. This work produced 84,762 metagenome-assembled genomes representing 2,257 bacterial and archaeal species, including 353 previously uncharacterized species. In addition, the reference collection of human gut archaea was expanded based on the Estonian population. Using this genome collection, the thesis developed a framework for studying microbiome-health associations at a finer level that takes within-species variation into account. The results showed that some health-related associations become visible only when looking inside a microbial species. This is important because members of the same microbial species may carry different genes, have different functional potential and therefore affect the human body in different ways. Overall, the thesis shows that population-specific microbial genome databases and more precise analytical methods help move microbiome research from asking which microbes are present toward asking which genomic variants of microbes may influence human health.