Cell｜人类肠道菌群中的隐性质粒有望成为识别水体粪便污染、炎症性肠病等健康问题的强大生物标志物

在一项新的研究中，德国奥尔登堡大学亥姆霍兹海洋生物功能多样性研究所的A. Murat Eren教授领导的一个国际研究小组聚焦于人类肠道菌群中的一种成分：质粒，在此之前人们对它的研究很少。质粒是一种小型染色体外遗传元件，广泛存在于细菌细胞中，对微生物生活方式具有深远影响，但其在自然生态环境中的多样性却知之甚少。

在这项新的研究中，他们发现一种神秘的质粒是人类肠道中数量最多的遗传因子之一。这种质粒有可能成为一种强大的生物标志物，用于识别水的粪便污染等健康危害或炎症性肠病等人类疾病。根据他们的分析，这种质粒存在于工业化国家 90% 以上的人的肠道中。

相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“A cryptic plasmid is among the most numerous genetic elements in the human gut”。

质粒是染色体外的DNA序列，在所有生命领域的细胞中都很常见。Eren将其描述为“携带额外基因的典型小型遗传实体”。它们可以在不同的细菌细胞之间甚至不同类型的细菌之间交换。质粒的复制依赖于宿主细胞，但在某些情况下，它们为宿主提供了极其重要的适应性决定因素，从而弥补了宿主细胞的不足。例如，有些质粒含有编码抗生素耐药性的基因，助力细菌在抗生素环境中生存，成为全球公共卫生的重大挑战之一。

根据迄今为止的研究，还有一些质粒并不含有编码对宿主明显有益功能的基因。Eren解释说，“这些所谓的‘隐性质粒（cryptic plasmid）’通常被称为基因寄生虫。它们仍然是微生物生态学中的一个谜，因为从进化的角度来看，它们根本就不应该存在。”

迄今为止，识别质粒一直是一项艰巨的任务。一段时间以来，科学家们已能够直接从环境样本中提取遗传物质，例如，无需培养单个细菌生物，就能对人类肠道中的微生物群落进行整体分析。然而，在这些称为“宏基因组（metagenome）”的遗传物质集合体中，如何有把握地分辨出什么是质粒仍是一个相当大的挑战。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.039

为了解决这个问题，Eren和他的同事们开发了一种新的机器学习方法。他们近期发表在Nature Microbiology期刊上的另一篇论文中报告说，他们利用这种方法识别出了人类肠道菌群中的68000多个质粒，其中一种名为pBI143的隐性质粒在数据集中尤为丰富（Nature Microbiology, 2024, doi:10.1038/s41564-024-01610-3）。

在这项新的研究中，他们仔细研究了这种隐性质粒，它只由两个基因组成，令人惊讶的是，这两个基因只能用于自身复制和在细菌细胞中移动，而没有其他明显的益处。为了更好地了解 pBI143 的生态学，他们分析了从不同栖息地产生的 6 万个人类宏基因组和 4 万个环境宏基因组。

Eren解释说，“我们发现 pBI143 有一系列非常有趣的特征。”他们发现，在工业化国家，90% 以上的人都携带这种隐性质粒，平均而言，它是人类肠道中数量最多的基因实体之一。他说，“平均而言，它的数量是病毒基因组的 10 倍以上，而病毒基因组以前被认为是人类肠道中数量最多的染色体外遗传物质。”

进一步的分析表明，这种隐性质粒几乎只出现在人类肠道中，但在海洋、土壤、植物和动物消化器官及其粪便等其他环境的数据集中几乎不存在。除受人类活动影响的环境如废水、医院表面和实验室大鼠样本外，研究人员仅能在极少数样本中检测到其特征基因序列。

由于pBI143的数量庞大，在人类中普遍存在，而且在人类种群中具有保守性，这些作者假设，pBI143可以用作检测粪便污染的生物标志物。Eren教授肯定道：“事实证明，相较于基于人类肠道细菌特定基因序列的先进生物标志物，pBI143在检测饮用水中粪便污染方面更为灵敏。”

此外，研究者还揭示了这种普遍存在的基因实体在炎症性肠病（IBD）等人类疾病中的潜在应用价值。他们发现，与健康人相比，IBD患者肠道中pBI143的相对拷贝数近乎翻了四倍，暗示质粒拷贝数的变化可能作为量化疾病进展或严重程度的非侵入性指标。

Eren团队正在计算机科学和微生物学的交叉领域开发新的工具，以识别和描述生活在海洋中的细菌中天然存在的质粒和其他可移动遗传元件。他们致力于更好地了解微生物的生态学和进化，揭示微生物应对环境变化的策略，从而实现新的生物技术应用，改善我们面临的危机。

参考资料：

Emily C. Fogarty et al. A cryptic plasmid is among the most numerous genetic elements in the human gut. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.039.

Researchers find cryptic genetic element in the human gut that could serve as a sensitive biomarker
https://phys.org/news/2024-04-cryptic-genetic-element-human-gut.html