肠道共生菌Faecalibacterium通过大规模获得接合与可移动整合元件驱动基因组可塑性及肠道适应性研究

本研究针对人类肠道核心共生菌Faecalibacterium基因组可塑性的驱动机制，通过分析4个完整基因组中130个整合接合元件(ICE)和整合可移动元件(IME)，首次揭示这些元件占基因组14-23%，包含Tn1549家族ICE和4类IME超家族，证实其在菌株间水平转移并通过编码营养代谢、噬菌体抗性等功能模块促进肠道适应性，为理解肠道微生物进化提供新视角。

　　

在人类肠道微生物的复杂生态系统中，Faecalibacterium属细菌作为健康成人肠道最丰富的共生菌之一，其代谢产物丁酸盐对维持结肠健康具有关键作用。然而这个被划分为8个物种的菌群表现出惊人的基因组多样性，其进化驱动力长期未明。传统认知中质粒介导的水平基因转移难以解释其基因组变异，特别是已有研究显示Faecalibacterium菌株普遍缺乏质粒。这一矛盾促使法国洛林大学和巴黎萨克雷大学的研究团队将目光投向染色体上另一类可移动遗传元件——整合接合元件(ICE)和整合可移动元件(IME)。

研究人员选取4个完整测序的Faecalibacterium菌株（包含F. duncaniae、F. longum和F. prausnitzii物种）进行深度分析，这些菌株均分离自健康人粪便样本。通过生物信息学工具ICEScreen结合人工验证，研究团队系统鉴定了这些菌株中的可移动元件，并通过比较基因组学、蛋白质结构预测和系统发育分析揭示其进化特征。关键技术包括：ICE/IME的HMM特征蛋白鉴定、元件边界DR序列分析、Vir蛋白同源建模、松弛酶系统发育树构建以及功能模块注释（使用AMRFinderPlus、DefenseFinder等工具）。

研究结果首先在"Most Faecalibacterium conjugative elements are included in composite structures"部分揭示惊人发现：4个菌株携带多达130个完整元件（17个ICE和83个IME），占基因组14-23%，形成复杂的串联体(tandem)和套娃结构(matryoshka)。例如F. prausnitzii APC918/95b的一个复合结构包含6个嵌套元件。这些元件在染色体上呈分散分布，但主要存在于复合结构中。

"ICE backbone genes and organization"部分显示所有ICE均属于Tn1549家族，具有13个保守的接合模块基因，编码类似革兰阴性菌IV型分泌系统(T4SS)的组件（VirB1-like至VirB6-like）。系统发育分析将ICE分为A型（松弛酶与Tn1549同源）和B型（形成独立进化枝）两类，其中ICE_Fpr918_intser被发现是A/B型嵌合体，提示元件间重组事件。

"Diversity of ICE conjugation modules"详细描述了ICE的三种多样性：基因排列差异（A/B型）、骨架蛋白序列变异（VirB3-like保守而DUF4315蛋白差异大）以及可变区编码的多价蛋白（含肽酶M78和YodL结构域）。特别值得注意的是，这些可变蛋白携带抗限制修饰系统(RM)的DNA甲基化酶-解旋酶二元体，可能保护转移的DNA。

"IMEs belong to four distinct superfamilies"部分鉴定出基于松弛酶域的4类IME超家族：MOB_Q2(23个)、MOB_V1(29个)、MOB_P7(29个)和MOB_P1(2个)。其中MOB_P7 IME与ICE松弛酶同源且均携带MobC蛋白，而MOB_P1型是厚壁菌门首次报道。系统发育显示MOB_Q2和MOB_V1各形成4个家族，其松弛酶与辅助蛋白（如DUF3847）呈现共进化。

"Evidence of gene exchanges"部分通过近乎相同的元件（如IME_Fpr918_lysS_1与IME_Flo942_lysS_1具有95.5%相似性）证实了不同Faecalibacterium种间水平转移。最有力的证据来自同一样本分离的F. duncaniae A2-165T和Roseburia hominis A2-183T（分属不同目），其ICE_RhoA2-183_NS_3与ICE_FduA2165_NS_6呈现100%相同，揭示肠道微生物间存在活跃的基因交流。

"Adaptative functions"部分阐明这些元件携带大量适应性功能模块：1）核黄素合成系统；2）多样化的营养转运系统（包括Fe³⁺-铁载体ABC转运体、碳水化合物PTS系统等）；3）47类噬菌体抗性系统（含I-IV型限制修饰系统和10类流产感染系统）；4）应激响应系统（抗氧化物、胆盐、抗菌肽等）。这些功能显著增强了菌株在肠道环境中的竞争优势。

对29个补充菌株的分析验证了上述发现的普适性，共检出634个元件（114个ICE和294个IME），证实Faecalibacterium属普遍具有这种"无质粒但富集ICE/IME"的独特基因组特征。

这项发表于《Scientific Reports》的研究首次系统揭示了ICE/IME在Faecalibacterium基因组进化中的核心作用。其重要意义在于：1）阐明肠道共生菌通过大规模获得可移动元件实现快速进化；2）发现Tn1549家族ICE在厚壁菌门肠道菌群中的优势分布；3）证实肠道环境促进跨物种基因交流；4）为理解微生物适应肠道的分子机制提供新视角。这些发现不仅拓展了对微生物基因组可塑性的认知，也为开发基于Faecalibacterium的益生菌疗法提供了理论依据。