纵向肠道菌群追踪揭示水平基因转移动态及其在微生物群落稳定性和宿主生活方式记录中的作用

《Nature Communications》：Longitudinal gut microbiota tracking reveals the dynamics of horizontal gene transfer

本研究针对人类肠道微生物组中近期水平基因转移（HGT）的动态规律这一关键科学问题，通过对Lifelines-DEEP队列338名参与者4年间采集的676份粪便样本进行纵向宏基因组分析，开发了HDMI新方法检测到5,644个近万年内的HGT事件。研究发现HGT能增强物种间共丰度关系的稳定性，促进抗生素耐药基因（ARGs）等适应性功能的传播，且个体HGT特征具有高度特异性和持续性，与质子泵抑制剂（PPI）使用等宿主生活方式显著相关。该成果发表于《Nature Communications》，为理解HGT在肠道微生态系统中的稳定作用及作为宿主生活史记录载体提供了新视角。

　　

在人体这个复杂的生态系统中，肠道微生物组犹如一个忙碌的都市，数以万亿计的细菌在此共生、竞争与合作。它们不仅帮助消化食物、合成维生素，更与人体健康息息相关。在这个微观世界里，细菌们除了通过“祖传”的垂直基因传递（从亲代到子代）来延续生命，还掌握着一种独特的“技能交流”方式——水平基因转移（HGT），即在不同菌株甚至不同物种之间直接交换遗传物质。这种基因的“横向交流”使得细菌能够快速获得新功能，如对抗抗生素的耐药性、适应新食物来源的能力等，从而在复杂环境中占据优势。

然而，尽管科学家们早已知道HGT是微生物进化的重要驱动力，但对其在人类肠道这个特定环境中如何随时间动态变化，以及如何影响整个微生物群落的稳定性和功能，仍知之甚少。特别是在近万年人类文明快速发展（如农业革命、工业化、抗生素广泛使用）的背景下，HGT如何帮助肠道微生物适应这些剧烈变化，更是一个悬而未解的问题。传统的HGT研究多依赖于单一时间点的静态分析或短期观察，难以捕捉基因转移的动态过程及其长期生态效应。

为了解决这些难题，来自荷兰格罗宁根大学医学中心的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们利用Lifelines-DEEP前瞻性队列的独特资源，对338名荷兰居民进行了为期4年的追踪研究，收集了两个时间点的粪便样本（共676份），通过宏基因组测序和新型生物信息学方法，深入探究了肠道微生物组中HGT的动态规律、生态影响及其与宿主因素的关系。

研究团队首先建立了高质量的研究基础：从基线样本中重建了1,473个高质量宏基因组组装基因组（MAG），代表192个细菌物种。为精准检测近期HGT事件，他们开发了名为HDMI（HGT Detection from MAGs at Individual level）的新方法。该方法通过识别不同物种MAG间高度相似（>99% identity）的DNA区域（>500 bp），并结合覆盖度、深度及读段分割验证等多重质控，专门捕捉过去约1万年内的基因转移事件。与现有工具相比，HDMI在检测属内HGT方面表现更优，且能实现无参考基因组的个体水平分析。此外，研究还涉及功能注释、共丰度网络构建、系统发育分析、线性混合模型等多项生物信息学技术。

HGT是肠道微生物组的普遍现象

研究发现，HGT在肠道中极为常见。在1,473个MAG中，61.2%（901个）至少参与了一个HGT事件，共识别出5,644个高频置信的近期HGT事件，涉及116个物种。这些转移片段长度在0.5-64 kb之间（中位值1.65 kb），核苷酸一致性中位值为99.36%，符合近万年内的转移时间框架。研究还发现了一些异常长的转移片段，如一个约64 kb的元件，两侧带有移动元件，编码多个转运蛋白和多药外排系统。

HGT富集的基因功能

功能分析显示，与基因转移相关的功能（转座酶、重组酶、MobA/MobL、噬菌体整合酶）以及防御机制相关基因在HGT片段中显著富集。值得注意的是，钼辅因子（MoCo）生物合成相关基因（MoaC、MoCF_biosynth、FdhD-NarQ等）也表现出显著富集。这些基因对厌氧呼吸至关重要，提示HGT可能帮助微生物在肠道缺氧环境中茁壮成长。进一步分析发现，具有运动能力或含有MoaC基因的细菌在HGT网络中具有更高的度中心性，意味着它们可能作为基因转移的“枢纽”物种。研究还识别出154个可能发生在过去百年内的HGT事件（100%一致性），包括四个与四环素耐药基因传播相关的事件，这与20世纪50年代四环素开始广泛使用的历史相符。

HGT与物种共丰度关系

研究假设共享HGT的物种对可能表现出更稳定的共丰度关系。分析结果证实了这一点：在基线存在HGT关系的99对物种中，73.7%在4年间保持了稳定的正共丰度关系，是无HGT关系物种对的2.24倍富集。微生物共丰度网络可划分为7个群落，其中最大的群落C（包含92个物种）的物种间不仅HGT关系更频繁（10.5%的物种对存在HGT），还显著富集了毒力因子（VF）、抗生素耐药基因（ARG）和抗菌肽耐药基因（AMPR）。此外，群落C的物种组成在4年间的变化（Bray-Curtis距离）显著小于其他群落，表明其更高的时间稳定性。在控制了系统发育距离的影响后，HGT关系与更强的正共丰度关系依然显著相关，说明HGT本身有助于稳定物种间的相互作用。

HGT片段的传播机制：HGT与菌株替换共同驱动

纵向分析显示，HGT片段在人群中的平均流行率从基线的25.6%显著增加到随访时的27.1%，62.0%的片段变得更加普遍。这表明可转移片段在群体中存在净传播。例如，一个在Agathobacter rectalis中的2.7 kb噬菌体片段流行率从7.0%升至30.2%；另一个在Anaerobutyricum hallii中编码β-内酰胺酶的5.2 kb片段流行率从40.5%升至52.1%。为了区分流行率增加是由于基因在同种菌株内直接转移（真实HGT），还是由于携带该片段的菌株替换了原有菌株（菌株替换），研究人员对A. rectalis中一个编码乙酰木聚糖酯酶的HGT片段进行了深入的系统发育分析。发现在24名该片段存在状态发生改变的个体中，有一半（12名）其两个时间点的A. rectalis菌株系统发育距离极近（<0.1），表明在4年内发生了真实的HGT事件（获得或丢失片段）；而另一半个体两个时间点的菌株属于不同分支，说明变化是由菌株替换所致。这揭示了HGT和菌株替换是基因在群体中传播的两种并行机制。

个体HGT特征的特性与稳定性

尽管群体水平上HGT片段在传播，但71.9%的片段在4年间流行率变化不超过5%。更重要的是，个体内两个时间点HGT谱的Jaccard距离显著小于个体间的距离，表明HGT谱具有高度的个体特异性且随时间相对稳定。利用HGT谱对个体纵向样本进行匹配的准确率达到78.4%，高于基于物种丰度（53.0%）或微生物通路丰度（61.2%）的匹配准确率。在人类微生物组计划（HMP）队列的验证中，HGT谱对一年间隔样本的匹配准确率高达85%，进一步支持了其作为个体“微生物指纹”的潜力。

HGT与宿主生活方式关联

鉴于移动基因库的稳定性和个体特异性，研究进一步探究了非抗生素类药物使用等宿主因素是否驱动特定的基因转移。线性混合模型（LMM）分析发现，质子泵抑制剂（PPI）的使用与移动基因编码的ABC-2膜转运蛋白、ABC转运蛋白和多抗菌外排蛋白（Mate）的丰度增加显著相关。这些基因位于同一个HGT片段上，由Blautia_A wexlerae和Anaerobutyricum hallii共享，蛋白结构建模证实它们编码完整的膜转运蛋白结构，可能帮助细菌抵御PPI带来的毒性。此外，年龄与移动基因中的链霉素腺苷酸转移酶丰度呈正相关（每十年约增加2.0倍），而与β-半乳糖苷酶丰度呈负相关（每十年约减少0.38倍），可能分别反映了老年人抗生素暴露增加和乳制品摄入减少的影响。

本研究通过大规模纵向分析，揭示了近期HGT在人类肠道微生物组中的普遍性、动态传播机制及其生态学意义。结果表明，HGT不仅是微生物获取适应性基因的重要途径，还能通过促进物种间功能协同和共丰度稳定性，增强微生物群落的韧性。HGT和菌株替换共同确保了有益基因在个体内和群体间的持久存在与传播。尤为重要的是，个体特异的HGT谱如同一本“历史书”，记录了宿主长期的生活方式（如药物使用、年龄相关变化），为未来利用微生物移动基因库进行个性化健康评估和干预提供了新的思路和工具（HDMI pipeline）。尽管研究存在队列地域局限性（荷兰北部）、人群相对健康、MAG质量对HGT检测灵敏度的影响等限制，但无疑深化了我们对肠道微生物生态系统动态演变的理解，凸显了HGT在连接宿主环境与微生物进化中的关键作用。