We previously reported on MetaBAT, an automated metagenome binning software tool to reconstruct single genomes from microbial communities for subsequent analyses of uncultivated microbial species. MetaBAT has become one of the most popular binning tools largely due to its computational efficiency and ease of use, especially in binning experiments with a large number of samples and a large assembly. MetaBAT requires users to choose parameters to fine-tune its sensitivity and specificity. If those parameters are not chosen properly, binning accuracy can suffer, especially on assemblies of poor quality. Here, we developed MetaBAT 2 to overcome this problem. MetaBAT 2 uses a new adaptive binning algorithm to eliminate manual parameter tuning. We also performed extensive software engineering optimization to increase both computational and memory efficiency. Comparing MetaBAT 2 to alternative software tools on over 100 real world metagenome assemblies shows superior accuracy and computing speed. Binning a typical metagenome assembly takes only a few minutes on a single commodity workstation. We therefore recommend the community adopts MetaBAT 2 for their metagenome binning experiments. MetaBAT 2 is open source software and available at https://bitbucket.org/berkeleylab/metabat .

The Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI) community initiative presents results from its first challenge, a rigorous benchmarking of software for metagenome assembly, binning and taxonomic profiling. Methods for assembly, taxonomic profiling and binning are key to interpreting metagenome data, but a lack of consensus about benchmarking complicates performance assessment. The Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI) challenge has engaged the global developer community to benchmark their programs on highly complex and realistic data sets, generated from ∼700 newly sequenced microorganisms and ∼600 novel viruses and plasmids and representing common experimental setups. Assembly and genome binning programs performed well for species represented by individual genomes but were substantially affected by the presence of related strains. Taxonomic profiling and binning programs were proficient at high taxonomic ranks, with a notable performance decrease below family level. Parameter settings markedly affected performance, underscoring their importance for program reproducibility. The CAMI results highlight current challenges but also provide a roadmap for software selection to answer specific research questions.

Genes in prokaryotic genomes are often arranged into clusters and co-transcribed into polycistronic RNAs. Isolated examples of polycistronic RNAs were also reported in some higher eukaryotes but their presence was generally considered rare. Here we developed a long-read sequencing strategy to identify polycistronic transcripts in several mushroom forming fungal species including Plicaturopsis crispa, Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, and Gloeophyllum trabeum. We found genome-wide prevalence of polycistronic transcription in these Agaricomycetes, involving up to 8% of the transcribed genes. Unlike polycistronic mRNAs in prokaryotes, these co-transcribed genes are also independently transcribed. We show that polycistronic transcription may interfere with expression of the downstream tandem gene. Further comparative genomic analysis indicates that polycistronic transcription is conserved among a wide range of mushroom forming fungi. In summary, our study revealed, for the first time, the genome prevalence of polycistronic transcription in a phylogenetic range of higher fungi. Furthermore, we systematically show that our long-read sequencing approach and combined bioinformatics pipeline is a generic powerful tool for precise characterization of complex transcriptomes that enables identification of mRNA isoforms not recovered via short-read assembly.

Ruminant livestock represent the single largest anthropogenic source of the potent greenhouse gas methane, which is generated by methanogenic archaea residing in ruminant digestive tracts. While differences between individual animals of the same breed in the amount of methane produced have been observed, the basis for this variation remains to be elucidated. To explore the mechanistic basis of this methane production, we measured methane yields from 22 sheep, which revealed that methane yields are a reproducible, quantitative trait. Deep metagenomic and metatranscriptomic sequencing demonstrated a similar abundance of methanogens and methanogenesis pathway genes in high and low methane emitters. However, transcription of methanogenesis pathway genes was substantially increased in sheep with high methane yields. These results identify a discrete set of rumen methanogens whose methanogenesis pathway transcription profiles correlate with methane yields and provide new targets for CH 4 mitigation at the levels of microbiota composition and transcriptional regulation.

DNA methylation acts in concert with restriction enzymes to protect the integrity of prokaryotic genomes. Studies in a limited number of organisms suggest that methylation also contributes to prokaryotic genome regulation, but the prevalence and properties of such non-restriction-associated methylation systems remain poorly understood. Here, we used single molecule, real-time sequencing to map DNA modifications including m6A, m4C, and m5C across the genomes of 230 diverse bacterial and archaeal species. We observed DNA methylation in nearly all (93%) organisms examined, and identified a total of 834 distinct reproducibly methylated motifs. This data enabled annotation of the DNA binding specificities of 620 DNA Methyltransferases (MTases), doubling known specificities for previously hard to study Type I, IIG and III MTases, and revealing their extraordinary diversity. Strikingly, 48% of organisms harbor active Type II MTases with no apparent cognate restriction enzyme. These active 'orphan' MTases are present in diverse bacterial and archaeal phyla and show motif specificities and methylation patterns consistent with functions in gene regulation and DNA replication. Our results reveal the pervasive presence of DNA methylation throughout the prokaryotic kingdoms, as well as the diversity of sequence specificities and potential functions of DNA methylation systems.

Abstract Multiple models describe the formation and evolution of distinct microbial phylogenetic groups. These evolutionary models make different predictions regarding how adaptive alleles spread through populations and how genetic diversity is maintained. Processes predicted by competing evolutionary models, for example, genome-wide selective sweeps vs gene-specific sweeps, could be captured in natural populations using time-series metagenomics if the approach were applied over a sufficiently long time frame. Direct observations of either process would help resolve how distinct microbial groups evolve. Here, from a 9-year metagenomic study of a freshwater lake (2005–2013), we explore changes in single-nucleotide polymorphism (SNP) frequencies and patterns of gene gain and loss in 30 bacterial populations. SNP analyses revealed substantial genetic heterogeneity within these populations, although the degree of heterogeneity varied by >1000-fold among populations. SNP allele frequencies also changed dramatically over time within some populations. Interestingly, nearly all SNP variants were slowly purged over several years from one population of green sulfur bacteria, while at the same time multiple genes either swept through or were lost from this population. These patterns were consistent with a genome-wide selective sweep in progress, a process predicted by the ‘ecotype model’ of speciation but not previously observed in nature. In contrast, other populations contained large, SNP-free genomic regions that appear to have swept independently through the populations prior to the study without purging diversity elsewhere in the genome. Evidence for both genome-wide and gene-specific sweeps suggests that different models of bacterial speciation may apply to different populations coexisting in the same environment.

Abstract In metagenome analysis, computational methods for assembly, taxonomic profiling and binning are key components facilitating downstream biological data interpretation. However, a lack of consensus about benchmarking datasets and evaluation metrics complicates proper performance assessment. The Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI) challenge has engaged the global developer community to benchmark their programs on datasets of unprecedented complexity and realism. Benchmark metagenomes were generated from ~700 newly sequenced microorganisms and ~600 novel viruses and plasmids, including genomes with varying degrees of relatedness to each other and to publicly available ones and representing common experimental setups. Across all datasets, assembly and genome binning programs performed well for species represented by individual genomes, while performance was substantially affected by the presence of related strains. Taxonomic profiling and binning programs were proficient at high taxonomic ranks, with a notable performance decrease below the family level. Parameter settings substantially impacted performances, underscoring the importance of program reproducibility. While highlighting current challenges in computational metagenomics, the CAMI results provide a roadmap for software selection to answer specific research questions.

ABSTRACT Current supervised phylogeny-based methods fall short on recognizing species assembled from metagenomic datasets from under-investigated habitats, as they are often incomplete or lack closely known relatives. Here, we report an efficient software suite, “Genome Constellation”, that estimates similarities between genomes based on their k-mer matches, and subsequently uses these similarities for classification, clustering, and visualization. The clusters of reference genomes formed by Genome Constellation closely resemble known phylogenetic relationships while simultaneously revealing unexpected connections. In a dataset containing 1,693 draft genomes assembled from the Antarctic lake communities where only 40% could be placed in a phylogenetic tree, Genome Constellation improves taxa assignment to 61%. It revealed six clusters derived from new bacterial phyla and 63 new giant viruses, 3 of which missed by the traditional marker-based approach. In summary, we demonstrate that Genome Constellation can tackle the computational and algorithmic challenges in large-scale taxonomy analyses in metagenomics.

Compounds with sulfhydryl substituents and azole compounds exhibit potent anti-tyrosinase potency. 2-Thiobenzothiazole (2-TBT), a hybrid structure of sulfhydryl and azole, exists in two tautomeric forms, with the thione form being predominant according to several studies. 2-TBT derivatives were synthesized as potential tyrosinase inhibitors as the thione tautomeric form has the same N-CS moiety as phenylthiourea (PTU), which is suitable for chelation with the copper ions present in the tyrosinase active site. Eight of the ten 2-TBT derivatives inhibited the monophenolase and diphenolase activities of mushroom tyrosinase, with IC50 values of 0.02–0.83 μM. Kinetic studies and molecular dynamics simulations were performed to determine their mode of action and confirm that the 2-TBT derivatives bind to the tyrosinase active site with high stability. Derivatives 3, 4, 8, and 10 strongly inhibited melanogenesis in B16F10 cells in a pattern similar to the results of cellular tyrosinase inhibition, thereby suggesting that their ability to inhibit melanogenesis was due to their tyrosinase inhibitory activity. In a depigmentation experiment using zebrafish embryos, all 2-TBT derivatives showed better potency than kojic acid, even at 400 to 2000 times lower concentration, and 1 and 10 reduced zebrafish larva pigmentation more strongly than PTU even at 20 times lower concentration. Experiments investigating the changes in tyrosinase inhibitory activity of 2-TBT derivatives in the presence and absence of CuSO4 and their copper chelating ability supported that these derivatives exert their anti-melanogenic effect by chelating the copper ions of tyrosinase. These results suggest that 2-TBT derivatives are promising candidates for the treatment of hyperpigmentation-related disorders.

Based on the fact that substances with a β-phenyl-α,β-unsaturated carbonyl (PUSC) motif confer strong tyrosinase inhibitory activity, benzylidene-3-methyl-2-thioxothiazolidin-4-one (BMTTZD) analogs 1–8 were prepared as potential tyrosinase inhibitors. Four analogs (1–3 and 5) inhibited mushroom tyrosinase strongly. Especially, analog 3 showed an inhibitory effect that was 220 and 22 times more powerful than kojic acid in the presence of l-tyrosine and l-dopa, respectively. A kinetic study utilizing mushroom tyrosinase showed that analogs 1 and 3 competitively inhibited tyrosinase, whereas analogs 2 and 5 inhibited tyrosinase in a mixed manner. A docking simulation study indicated that analogs 2 and 5 could bind to both the tyrosinase active and allosteric sites with high binding affinities. In cell-based experiments using B16F10 cells, analogs 1, 3, and 5 effectively inhibited melanin production; their anti-melanogenic effects were attributed to their ability to inhibit intracellular tyrosinase activity. Moreover, analogs 1, 3, and 5 inhibited in situ B16F10 cellular tyrosinase activity. In three antioxidant experiments, analogs 2 and 3 exhibited strong antioxidant efficacy, similar to that of the positive controls. These results suggest that the BMTTZD analogs are promising tyrosinase inhibitors for the treatment of hyperpigmentation-related disorders.