尿源Methanobrevibacter smithii U29基因组解析：揭示中细胞变异体的病毒序列整合与泌尿系统适应性进化

《BMC Research Notes》：Methanobrevibacter smithii strain U29 whole genome sequence delineates M. smithii intermediate cell variants

本研究针对泌尿系统中甲烷古菌Methanobacter smithii（M. smithii）基因组多样性缺失的问题，通过完成首例尿液分离株U29的全基因组测序，发现其基因组携带71个独特编码序列（包括12个Siphoviridae病毒来源序列），并鉴定其为中细胞变异体（基因组大小1,822,124 bp）。结果表明，病毒整合可能通过赋予应激耐受与黏附能力促进M. smithii在泌尿道的定植，为阐释古菌跨组织 translocation 机制及病毒-宿主共进化提供了新视角。

　　

在人体微生物组研究中，甲烷古菌Methanobrevibacter smithii（M. smithii）作为消化道优势产甲烷菌，其代谢活动对肠道能量平衡具有重要影响。然而，关于M. smithii在泌尿系统、呼吸道和血液等肠外组织的存在与适应机制，长期以来缺乏系统基因组学证据。尤其值得注意的是，肠外分离的M. smithii菌株普遍缺乏在肠道菌株中常见的共生纳米古菌Candidatus Nanopusillus phoceensis，暗示其可能存在独特的基因组特征与生态适应性。这一知识空白限制了对M. smithii在人体多组织定植潜力及其潜在健康关联的理解。

为解决上述问题，Malat等人于《BMC Research Notes》上发表了题为“Methanobrevibacter smithii strain U29 whole genome sequence delineates M. smithii intermediate cell variants”的研究论文。该研究首次报道了从尿液样本中分离的M. smithii U29菌株的全基因组序列，并通过比较基因组学分析，揭示其作为一种中细胞变异体的典型特征，同时发现其基因组中整合了多个病毒来源序列，为理解古菌在肠外环境的存活与进化提供了新线索。

在研究过程中，作者团队采用了一系列关键技术方法：首先通过实时荧光定量PCR（RT-PCR）与Sanger测序从临床尿液样本中筛选M. smithii阳性样本；进而利用与Escherichia coli共培养于SAB厌氧培养基中富集U29菌株，并通过气相色谱法检测甲烷产量以验证其代谢活性；使用Illumina MiSeq平台进行全基因组测序，获得 scaffold 级别的基因组草图；借助DFast、Proksee、BLAST、CRISPRCasFinder等生物信息学工具完成基因注释、平均核苷酸一致性（ANI）分析、病毒序列鉴定以及CRISPR-Cas系统分类。

研究结果

基因组基本特征

M. smithii U29基因组大小为1,822,124 bp（GC含量31%），包含111个scaffold，编码1,745个蛋白质编码序列（CDS）。值得注意的是，该基因组未检测到纳米古菌共生体序列，但携带一个完整的5-16S-23S rRNA基因簇、36个tRNA基因、一个含39个spacer的CRISPR阵列以及一个I-B型CRISPR-Cas系统。

比较基因组学分析

通过ANI分析发现，U29与源自污水消化器的参考菌株ATCC 35061（CP000678.1）相似度最高（99.86%），而与肠道来源菌株KB11（CP017803.1）、CE91-St67（AP025586.1）和CE91-St68（AP025587.1）的相似度分别为97.99%、97.92%和97.78%。U29基因组较ATCC 35061短31,036 bp，但比肠道菌株多出约16,579–30,969 bp，并额外编码69–71个CDS，其中包括56个病毒来源CDS。

独特基因与病毒序列整合

U29与ATCC 35061共享53个肠道菌株缺失的CDS，其中40个为非病毒基因（如吡哆胺5′-磷酸氧化酶、ATP结合蛋白、TIGR04076家族蛋白），13个为病毒基因。此外，U29特异性编码6个病毒结构蛋白基因（包括丝氨酸蛋白酶、主要衣壳蛋白、尾部管蛋白等），这些序列与M. smithii tailed virus 1高度同源。研究还发现BREX防御系统相关基因（如BrxC、PglX、BrxL）在U29中完整存在，可能增强其对噬菌体入侵的抵抗能力。

讨论与结论

本研究首次提出M. smithii可根据基因组大小与共生特征划分为三类细胞变异体：小细胞变异体（基因组<1,805,545 bp）具备向肠外组织 translocation 能力；中细胞变异体（基因组1,822,124–1,853,160 bp）以U29为代表，可能通过血源性、淋巴性或神经途径迁移至泌尿系统；大细胞变异体（基因组>2,413,006 bp）因与纳米古菌共生而丧失 translocation 潜力。U29基因组中独特的应激反应基因（如维生素B₆代谢相关酶）和黏附相关蛋白（如TIGR04076）可能共同促进其在尿液环境中的存活。

病毒序列的整合尤其值得关注，其可能通过“特洛伊木马”机制介导宿主适应性进化。例如，丝氨酸蛋白酶可增强蛋白降解能力，尾部蛋白可能参与宿主界面互作，而BREX系统与CRISPR-Cas系统共同构成防御网络，维护基因组稳定性。

本研究的意义在于拓展了对M. smithii生态多样性的认知，为探索古菌-病毒互作在人体微生态系统中的作用提供了新范式。未来需通过转录组学、体外感染模型等手段验证病毒序列的功能，并明确M. smithii在泌尿系统中的临床相关性，从而为微生物跨组织传播的机制研究奠定基础。