人类宿主特异性Anaerobutyricum物种的基因组适应性机制：基于整合性接合元件(ICE)与铁载体生物合成的深入解析

《Infection, Genetics and Evolution》：Genomic mechanisms underlying the adaptation of Anaerobutyricum species to the human host

本研究针对Anaerobutyricum属细菌作为潜在益生菌应用时其分类学界限模糊、基因组特征及宿主适应性机制不明等关键问题，开展了系统的基因组学分析。研究人员通过对84个Anaerobutyricum基因组进行平均核苷酸一致性(ANI)、平均氨基酸一致性(AAI)和核心基因系统发育分析，重新划分了该属的分类，并揭示了人类特异性物种A. soehngenii和A. hallii具有更长的基因组、更低的GC含量以及更丰富的整合性接合元件(ICEs)。研究发现ICEs上携带的dltA、mbtB和dhbE基因簇参与铁载体非核糖体肽的生物合成，可能促进其在人类宿主的定植，同时ICEs也存在抗生素抗性基因水平转移的风险。该研究为评估Anaerobutyricum作为益生菌的安全性提供了重要的基因组学依据。

　　

在我们的肠道深处，居住着数以万亿计的微生物，它们与我们的健康息息相关。其中，Anaerobutyricum属细菌，特别是Anaerobutyricum hallii和Anaerobutyricum soehngenii，因其能够产生有益的短链脂肪酸(SCFA)而备受关注。这些SCFAs不仅是宿主的能量来源，更是重要的信号分子，能够影响宿主的炎症反应和代谢过程，例如改善外周胰岛素抵抗、增强胰高血糖素样肽-1(GLP-1)分泌，甚至可能降低2型糖尿病的风险。因此，它们被认为是极具潜力的下一代益生菌候选者。

然而，尽管前景广阔，科学界对Anaerobutyricum属的认知仍存在大片空白。现有的分类是否准确？不同物种的基因组有何特征？它们是如何适应人类肠道环境的？最重要的是，在将它们广泛应用为益生菌之前，其基因组中是否潜藏着我们尚未察觉的风险，例如致病性因子或可传播的抗生素抗性基因？这些问题的答案，对于安全、有效地利用这些细菌至关重要。系统性基因组研究的缺乏，成为了将Anaerobutyricum从“潜力股”转化为安全“实际应用”的主要障碍。

为了填补这一知识空白，由顾朝阳、王德忠等人组成的研究团队在《Infection, Genetics and Evolution》上发表了一项重要研究。他们开展了一项迄今为止对该属最全面的基因组分析，旨在重新厘清其分类界限，揭示人类特异性物种（A. soehngenii和A. hallii）独特的基因组特征，并深入探究其适应人类宿主的潜在分子机制，特别是移动遗传元件在其中扮演的角色。

为了回答上述科学问题，研究人员首先从公共数据库获取了所有可用的Anaerobutyricum属基因组，经过严格的质量控制，最终保留了84个高质量基因组用于后续分析。研究采用了多种生物信息学方法：通过计算平均核苷酸一致性(ANI)和平均氨基酸一致性(AAI)，并结合基于120个单拷贝标记蛋白构建的系统发育树，对菌株进行了精确的分类学重定位；利用ICEberg 3.0等工具预测和分析了整合性接合元件(ICEs)等移动遗传元件(MGEs)；通过Pan-genome（泛基因组）分析探究了ICE区域的功能基因；使用HGTector软件预测了水平基因转移(HGT)事件；并利用VFDB和ResFinder数据库分别筛查了毒力因子和抗生素抗性基因。

3.1. 重新定义Anaerobutyricum属的基因组物种组

研究人员首先对84个基因组进行了细致的分类学分析。结果发现，基于ANI、AAI和系统发育关系，这些菌株可以被清晰地划分为四个类群。其中，一个类群被重新归类为非Anaerobutyricum属，而其余三个类群被确认为属于Anaerobutyricum属，分别对应Anaerobutyricum spp.（未定种）、A. soehngenii和A. hallii。值得注意的是，系统发育分析显示，Anaerobutyricum spp. exclusively来源于非人类宿主，而A. soehngenii和A. hallii则主要分离自人类宿主，形成了独立的进化分支，这强烈提示后者对人类宿主具有特异性适应。

3.2. 人类特异性Anaerobutyricum属中富集的移动遗传元件

比较基因组学分析揭示了显著的差异。与Anaerobutyricum spp.相比，A. soehngenii和A. hallii拥有更长的基因组（平均约3.20 Mb vs 2.78 Mb）和显著更低的GC含量（约38% vs 47%）。安全性评估显示，这两个物种未检测到毒力因子，但携带了针对氨基糖苷类、四环素类等抗生素的抗性基因。最关键的发现在于移动遗传元件(MGEs)的分布：A. soehngenii和A. hallii中含有大量的整合性接合元件(ICEs)、插入序列(ISs)和质粒，而这些在Anaerobutyricum spp.中几乎不存在。平均每个A. soehngenii和A. hallii基因组含有2.24个ICEs，表明ICEs在这两个物种的基因组可塑性和适应性中可能发挥着核心作用。水平基因转移预测分析提示，这些ICEs可能来源于Pseudomonadati、Bacillati等多种细菌。

3.3. 与宿主适应相关的移动遗传元件中的T4SS基因

ICEs是细菌适应性进化的重要驱动力。研究人员对74个ICEs进行了深入分析。根据接合转移系统的核心蛋白VirB4的系统发育分析，将这些ICEs上的IV型分泌系统(T4SS)主要分为MPF_FATA和MPF_FA两种类型，这两种类型也常见于一些人类病原体中，提示它们可能在细菌适应人类宿主过程中起关键作用。功能分析发现，ICEs上除了含有与接合（如松弛酶、整合酶）和T4SS装置相关的核心基因外，还携带了大量功能不明的“货物”基因。

3.4. MPF_FA和MPF_FATA型ICEs中与宿主适应相关的功能基因

对ICEs上 cargo genes（货物基因）的功能注释发现了134条可能影响宿主适应性的代谢通路。其中最显著富集的是“铁载体组非核糖体肽的生物合成”通路。进一步分析发现，与这一功能相关的dltA、dhbE和mbtB基因在约半数的阳性菌株中形成了一个保守的基因簇。该基因簇参与yersiniabactin（耶尔森菌素）等铁载体的最终合成步骤，而铁载体对于细菌在铁限制环境（如肠道）中获取铁元素至关重要，是生存和定植的关键。值得注意的是，这一保守基因簇在亲缘关系相近的Anaerostipes属的菌株中并未发现，表明它是A. soehngenii和A. hallii特有的适应性特征。此外，研究还在这些ICEs上检测到了多种抗生素抗性基因，如erm(B)基因，这提示在将这类细菌作为益生菌使用时，需警惕其抗性基因水平转移的风险。

本研究通过综合基因组学手段，成功地对Anaerobutyricum属进行了更精细的分类学划分，并揭示了人类特异性物种A. hallii和A. soehngenii独特的基因组特征：更大的基因组、更低的GC含量以及富含ICEs所带来的高度基因组可塑性。这些ICEs很可能是通过水平基因转移从其他细菌中获得，并选择性保留了赋予生存优势的基因。其中最关键的发现是ICEs上携带的、与铁载体生物合成相关的dltA、mbtB和dhbE基因簇，这为解释A. hallii和A. soehngenii为何能特异地适应并成功定植于竞争激烈的人类肠道环境提供了强有力的分子机制假设——通过增强铁获取能力。

然而，机遇与风险并存。ICEs作为“基因高速公路”，在带来定植优势的同时，也潜藏着传播抗生素抗性基因的隐患。因此，这项研究的意义远不止于深化基础认知。它强调了在进行益生菌开发前，进行全面的基因组学评估的极端重要性。一方面，它帮助精确界定微生物的身份（分类学），另一方面，它能有效识别其基因组中的“有益资产”（如适应机制）和“潜在负债”（如抗性基因）。该研究为未来安全、理性地设计和应用Anaerobutyricum及相关益生菌提供了不可或缺的基因组蓝图和风险评估框架，标志着我们在理解和利用人类肠道有益微生物的道路上迈出了关键一步。未来的研究需要进一步验证这些基因簇的功能，并密切监测其抗性基因在人群中的动态变化。