生信分析工具|VirMiner从宏基因组数据中挖掘、分析和整合病毒信号

站在巨人的肩膀上，让科研的步伐更加轻快！今天分享的生物信息分享工具，VirMiner，一款网页服务器，用于宏基因组数据的分析，挖掘、分析和整合病毒信号。

一、背景

病毒是微生物群落的重要组成部分，有助于其稳态和进化。人体肠道菌群中的病毒群落以噬菌体为主。噬菌体可通过水平基因转移（HGT）调制细菌群落的结构和功能，从而改变细菌的表型，包括毒力，抗生素抗性，和生物膜形成。这种噬菌体诱导的改变可能通过影响细菌致病性和抗生素抗性而造成潜在的健康风险。噬菌体在抗生素耐药性增殖中的作用仍存在争议。传统上，噬菌体被认为是应激下细菌适应的遗传储库，例如抗生素治疗。实验证明抗生素抗性基因在抗生素治疗小鼠的噬菌体中高度富集。然而，在最近的一项研究中研究人员得出结论，抗生素抗性基因（ARG）的存在在噬菌体基因组中被大大高估了。通过探索性生物信息学策略，他们在1181个公开可用的噬菌体基因组中鉴定了两个已知的和421个新预测的ARG。然而，他们在大肠杆菌中表达四种预测的ARG的实验测试并未导致抗生素抗性增加。不一致的研究结果表明，噬菌体在抗生素抗性和人类健康增殖中的作用仍然知之甚少。虽然噬菌体代表与健康有关的病毒社区的显著部分，得到噬菌体有更深的了解是由于病毒分离和纯化的困难仍然具有挑战性。然而，使用宏基因组测序，急剧通过从生态和临床样品的宏基因组回收的噬菌体的基因组促进了病毒研究。使用宏基因组数据揭示噬菌体的分类和功能组成以及噬菌体 - 宿主相互作用。此外，可以实现对微生物组的更好的生态学理解以及对其对人类健康的影响的更深入的见解。

二、VirMiner

在这里，我们介绍VirMiner，这是一个用户友好的网络工具，它使用随机森林模型从宏基因组数据中识别噬菌体重叠群，尤其是高丰度噬菌体重叠群。为了在真实宏基因组数据中获得更高的预测能力，VirMiner通过人肠道微生物宏基因组进行训练和评估，来自10个个体的纯化噬菌体文库的配对噬菌体由抗生素和纵向取样处理。此外，VirMiner提供了一个全面的分析管道，其中包括几个亮点：（1）原始读取处理，现场宏基因组装配和基因预测; （2）全面的功能注释，包括Pfam宏病毒报错，KEGG orthology（KO），噬菌体直系同源组（POG），病毒蛋白家族和病毒标志; （3）用于噬菌体重叠群鉴定的高灵敏随机森林（RF）预测模型，在鉴定高丰度噬菌体重叠群中表现突出; （4）噬菌体 - 宿主关系预测和CRISPR位点识别; （5）不同样本组之间的统计比较。

图1. VirMiner的工作流程。使用IDBA_UD 将高质量读数组装成重叠群。GeneMark 的HMM模型用于基因预测。通过搜索Paez-Espino等人定义的不同数据库（包括KO，Pfam和病毒蛋白家族）来生成功能谱，POG 2012和uPOG。R包randomForest用于鉴定噬菌体重叠群。使用RDP分类器识别鉴定的噬菌体重叠群的分类相关性。使用基于CRISPR-间隔物的方法进行噬菌体 - 宿主相互作用预测。

三、与其他工具的比较

目前用于鉴定噬菌体序列或原噬菌体区域的大多数工具，包括噬菌体探测器，Prophage Finder，Prophinder和PHAST，仅适用于病毒体测序或原核基因组测序数据，但非设计用于鉴定来自宏基因组数据的噬菌体序列，并且不能有效地将噬菌体和细菌序列与微生物组分开。Metaphinder 是一种开发用于处理宏基因组测序数据以识别噬菌体重叠群的网络服务器。然而，所有这些上述工具通过对当前数据库中已知噬菌体序列的同源性搜索来鉴定噬菌体序列。因为它是估计有1031感染的微生物群落的病毒颗粒，只有几千病毒基因组被沉积在当前的数据库。因此，目前的工具可能会忽略大量未知或未培养的噬菌体。VirSorter和VirFinder在微生物群落中进行噬菌体分析的功能相对有限; 在鉴定噬菌体重叠群后，不再提供进一步的分析，例如噬菌体 - 宿主相互作用，这可以揭示噬菌体响应特定胁迫的关键作用。

VirMiner是一种提供各种功能的噬菌体分析管道。功能注释包括KO，Pfam，病毒标志基因，病毒蛋白家族和POG的预测。如上所述，VirMiner使用预建的预测模型来鉴定来自所有宏基因组重叠群的噬菌体重叠群并进行下游分析，包括噬菌体 - 宿主关系预测，分类学分析和组间比较。不同工具的功能比较，揭示了VirMiner是一个功能强大且用户友好的Web服务器，特别是对于没有强大编程技能的研究人员而言，它易于处理。

四、总结

总之，基于实际的噬菌体学和微生物宏基因组学样本开发了VirMiner来填补噬菌体研究的空白。与VirSorter和VirFinder（最广泛使用的工具）相比，VirMiner能够捕获更高浓度的噬菌体重叠群，这可能在感染细菌和影响微生物群落动态方面发挥关键作用。此外，VirMiner是宏基因组样品中噬菌体分析的综合工具。它支持不同组之间的统计比较（例如，病例和对照）。重要的是，VirMiner可以预测噬菌体 - 宿主的相互作用，为噬菌体对致病性的影响提供新的见解。

五、Reference

Zheng T , Li J , Ni Y , et al. Mining, analyzing, and integrating viral signals from metagenomic data[J]. Microbiome, 2019.

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（编辑：晋中站长网）

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