Identification and assembly of genomes and genetic elements in complex metagenomic samples without using reference genomes
2 Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability
3 MICALIS - MICrobiologie de l'ALImentation au Service de la Santé
4 Department of Computer Science [Baltimore]
5 BGI Hong Kong Researche Institute
6 School of Bioscience and Biotechnology
7 European Molecular Biology Laboratory
8 MetaGenoPolis
9 GENOSCOPE - Genoscope - Centre national de séquençage [Evry]
10 UEVE - Université d'Évry-Val-d'Essonne
11 CBMR - Novo Nordisk Foundation Center for Basic Metabolic Research
12 Digestive System Research Unit
13 BGI - Beijing Genomics Institute [Shenzhen]
14 Faculty of Health Sciences
15 Department of Structural Biology
16 Department of Bioscience Engineering
17 8National Food Institute - Division for Epidemiology and Microbial Genomics
18 Department of Biology [Copenhagen]
19 Hagedorn Research Institute
20 Faculty of Health
21 BGI Hong Kong research Institute
22 Rega Institute - Department of Microbiology and Immunology
23 VIB - VIB Center for the Biology of Disease [Leuven]
24 Section of Microbiology [Copenhagen]
25 Laboratory of Microbiology
26 Department of Biological Information
27 MDC - Max Delbrück Center for Molecular Medicine [Berlin]
28 Princess Al Jawhara Center of Excellence in the Research of Hereditary Disorders
29 Centre for Host-Microbiome Interactions, Dental Institute Central Office, Guy’s Hospital
30 MICA - Département Microbiologie et Chaîne Alimentaire
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Résumé
Most current approaches for analyzing metagenomic data rely on comparisons to reference genomes, but the microbial diversity of many environments extends far beyond what is covered by reference databases. De novo segregation of complex metagenomic data into specific biological entities, such as particular bacterial strains or viruses, remains a largely unsolved problem. Here we present a method, based on binning co-abundant genes across a series of metagenomic samples, that enables comprehensive discovery of new microbial organisms, viruses and co-inherited genetic entities and aids assembly of microbial genomes without the need for reference sequences. We demonstrate the method on data from 396 human gut microbiome samples and identify 7,381 co-abundance gene groups (CAGs), including 741 metagenomic species (MGS). We use these to assemble 238 high-quality microbial genomes and identify affiliations between MGS and hundreds of viruses or genetic entities. Our method provides the means for comprehensive profiling of the diversity within complex metagenomic samples.