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FAPROTAX 菌群功能預測

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FAPROTAX (Functional Annotation of Prokaryotic Taxa)是 Louca 等人為解析微生物群落功能於 2016 年創建的資料庫,主要基於原核微生物分類的功能註釋並在2016年發表於Science [1]。 FAPROTAX 可適用於對環境樣本(如海洋、湖泊等)的生物地球化學循環過程(特別是碳、氫、氮、磷、硫等元素循環)進行功能預測 [2]。

FAPROTAX 不僅為預測環境樣本功能的利器,亦有研究採用 FAPROTAX 分析人類或哺乳動物皮膚樣本。論文中
根據功能預測,人類皮膚菌群具有較少的功能,而其它動物的菌群功能預測較多(圖1)。預測發現人類皮膚菌群具有較高的對錳氧化的功能。而其它動物皮膚微生物的功能預測與較高的氮循環和單碳化合物降解功能有關。根據 FAPROTAX 資料庫,氮呼吸與多個生物類群有關,包括副球菌屬 (Paracoccus) 和假單胞菌屬 (Pseudomonas),了解皮膚微生物是否有助於氮和錳循環很重要,因為錳和含氮化合物(如一氧化氮)的缺乏可能會導致傷口癒合延遲。菌群的代謝物可能也與哺乳動物的衰老有關,因為它們可能改變氧化壓力反應。因此可藉由探討皮膚菌落預測功能與汗水組成元素之間的相互關聯,研究皮膚微生物生化過程如何影響宿主皮膚健康 [3]。

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圖1. 預測功能在人類和其它動物之間存在顯著的差異(*表示人類和非人類具有顯著的差異)

FAPROTAX 目前基於已發表驗證的可培養菌文獻,收集 4,600 多個原核微生物共 80 多個功能分組等 7,600 多條功能註釋資訊。其預測準確度較好,但相比於 PICRUSt 和 Tax4Fun 來說預測的覆蓋度可能會降低。PICRUSt 輸入的物種豐度表目前只能基於 Greengenes 資料庫;Tax4Fun 仰賴 SILVA 資料庫進行註釋,而 FAPROTAX 在資料庫使用上顯得更加彈性,因為僅需識別微生物的屬、種名稱。無論註釋資料庫為 Greengenes、Silva 或 RDP,具參考序列或是 de novo 的結果都可識別。

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圖2. FAPROTAX 預測微生物菌群功能原理

作者依據文獻資料構建聯繫物種分類與功能註釋的 FAPROTAX 資料庫,文獻資料來源有Begrey's Manual of Systematic Bacteriology、The Prokaryotes、The International Journal of Systematic Bacteriology 等。使用者只需將基於 16S 的 OTU 分類表透過 FAPROTAX 即可輸出微生物菌群功能註釋預測結果。

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圖3. FAPROTAX 功能預測與環境變數 Pearson 相關係數圖

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圖4. FAPROTAX 組間統計顯著功能豐度柱狀圖

參考文獻
[1] Louca, S., L.W. Parfrey, and M. Doebeli, Decoupling function and taxonomy in the global ocean microbiome. Science, 2016. 353(6305): p. 1272-7.
[2] Chen, W., et al., Aquatic Bacterial Communities Associated With Land Use and Environmental Factors in Agricultural Landscapes Using a Metabarcoding Approach. Front Microbiol, 2018. 9: p. 2301.
[3] Ross, A.A., et al., Comprehensive skin microbiome analysis reveals the uniqueness of human skin and evidence for phylosymbiosis within the class Mammalia. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018. 115(25): p. E5786-E5795.


圖爾思生物科技 / 微生物體研究中心
郭育倫 文案

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