《Cell》鲜为人知的人类肠道质粒竟然是某些疾病的生物标志物

　　

迄今为止很少研究的人类肠道菌群的一个组成部分是一项新研究的重点。质粒是小的染色体外遗传元件，经常出现在细菌细胞中，可以影响微生物的生活方式，但人们对其在自然栖息地中的多样性知之甚少。由奥尔登堡大学Helmholtz功能性海洋生物多样性研究所(HIFMB)的A. Murat Eren教授领导的一个国际团队在科学杂志《Cell》上报告说，一种神秘的质粒是人类肠道中数量最多的遗传元素之一，可能作为识别健康危害(如粪便污染)或人类疾病(如炎症性肠病)的强大生物标志物。根据研究小组的分析，这种质粒存在于工业化国家90%以上个体的肠道中。

质粒是染色体外的DNA序列，在所有生命领域的细胞中都是常见的。甚至将它们描述为“典型的携带额外基因的小型遗传实体”。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。质粒的复制依赖于它们的宿主细胞，但在某些情况下，它们通过向宿主提供极其重要的适应性决定因素来弥补这一点。例如，一些质粒含有编码抗生素耐药性的基因，这有助于它们的细菌宿主在抗生素中生存下来，这是全球最紧迫的公共卫生问题之一。

根据迄今为止的研究，还有一些质粒不包含编码对宿主有明显有益功能的基因。“这些所谓的‘隐质粒’通常被称为遗传寄生虫。它们在微生物生态学中仍然是一个谜，因为从进化的角度来看，它们根本不应该存在，”Oldenburg大学的计算机科学家和生态系统数据科学教授Eren解释说。

迄今为止，鉴定质粒一直是一项艰巨的任务。一段时间以来，科学家们已经能够直接从环境样本中提取遗传物质，例如，无需培养单个细菌有机体，就可以分析整个人类肠道中的微生物群落。然而，在这种被称为宏基因组的遗传物质聚集中自信地区分什么是质粒的能力构成了相当大的挑战。

为了解决这个问题，Eren和他的同事开发了一种新的机器学习方法。正如该团队最近在科学杂志《自然微生物学》上发表的一篇文章中所报道的那样，使用这种方法，他们在人类肠道菌群中鉴定了68,000多个质粒，并且还发现在他们的数据集中，一种名为pBI143的隐质粒特别丰富。

人类肠道中数量最多的遗传实体之一

在发表在《Cell》杂志上的这项研究中，研究小组仔细研究了这种质粒，它只由两个基因组成，令人惊讶的是，它只用于自身的复制和跨细菌细胞的动员，没有其他明显的好处。为了更好地了解pBI143的生态，研究小组分析了来自不同栖息地的6万个人类和4万个环境宏基因组。

“我们发现pBI143有一系列非常有趣的特征，”Eren解释说。研究小组发现，在工业化国家，超过90%的人携带这种质粒，平均而言，它是人类肠道中数量最多的遗传实体之一。这位研究人员说:“平均而言，它的数量是病毒基因组的十倍以上，而病毒基因组以前被认为是人类肠道中最丰富的染色体外遗传元素。”

进一步的分析表明，这种质粒几乎只存在于人类肠道中，但在其他环境(如海洋、土壤、植物和动物的消化器官及其粪便)的数据集中几乎不存在。研究人员能够检测到这些质粒特征基因序列的唯一其他样本是来自受人类影响的环境的样本，例如废水、医院表面和实验室老鼠。

由于其数量庞大，在人类中普遍存在，并且在人群中具有保护作用，研究小组假设pBI143可以用作测试粪便污染的生物标志物。奥尔登堡大学生态系统数据科学教授A. Murat Eren博士说：“事实上，我们能够证明，与基于人类肠道细菌特定基因序列的最先进生物标志物相比，这种质粒是检测饮用水中粪便污染的更敏感的标志物。”

非侵入性方法量化IBD进展

该团队还确定了这种普遍遗传实体在人类疾病(如炎症性肠病(IBD))背景下的另一种潜在应用，这种疾病仅在欧洲就影响300万人。他们能够证明，与健康人的肠道相比，IBD患者肠道中这种隐质粒的相对拷贝数增加了近四倍，这表明质粒拷贝数的变化可以作为一种非侵入性方法来量化疾病的进展或严重程度。

在HIFMB, Eren的团队正在开发计算机科学和微生物学交叉的新工具，以识别和表征生活在海洋中的细菌中自然产生的质粒和其他可移动的遗传元素。他们努力更好地了解微生物的生态和进化，以及使它们能够应对不断变化的环境的新生物技术应用的策略，这些应用可以改善我们面临的危机。