大规模宏基因组中细菌收缩注射系统的生态多样性与功能演化研究

这篇研究通过大规模宏基因组分析，揭示了细菌收缩注射系统（CISs）在14个细菌门和1个古菌门中的分布规律，重点解析了人类肠道微生物组中独特的拟杆菌注射系统（BISs）的结构特征（缺失Cis6和尾纤维蛋白但保留Aasi_0556同源基因）及其与T6SSiv的进化关联，并通过异源表达验证了候选毒素蛋白BDI_2459的潜在功能，为微生物组工程和抗菌策略提供了新视角。

　　

细菌收缩注射系统的生态与功能全景

跨生态系统的CISs分布图谱

通过分析来自地球微生物组计划（GEM）、海洋微生物组数据库（OMD）和人类肠道微生物组（HGM）的179,473个宏基因组组装基因组（MAGs），研究团队构建了包含84个基因家族的CIS基因簇（CGF），筛选出1,129个CISs。这些系统跨越14个细菌门和1个古菌门，其中拟杆菌门（Bacteroidota）占比最高（38.7%），而海洋环境中变形菌门（Proteobacteria）显著富集。值得注意的是，63.2%的CISs来自未培养微生物，凸显了宏基因组技术在挖掘微生物暗物质中的优势。

环境驱动的结构适应性

不同生态系统中CISs的基因组成呈现显著分化：水生环境CISs富含Cis13尾纤维蛋白（靶向识别关键元件），而人类消化系统来源的BISs则完全缺失Cis6（刺突栓蛋白）和尾纤维基因，但100%编码Aasi_0556同源基因。这种结构简化可能反映其对肠道黏膜定植的适应性。地理分布分析显示，植物凋落物（8.86%相对丰度）和土壤（2.71%）是CISs最富集的陆地环境，而人类消化道仅占0.77%。

尾纤维蛋白的进化奇观

系统发育分析揭示了两类尾纤维蛋白的生态偏好：Cis13在海洋微生物中高度保守，而AIg19（来自Algoriphagus machipongonensis的特化尾纤维）与DUF4157毒素域蛋白存在强共现性（P=0.82）。一个特殊案例是鱼类表皮黏液中的黄杆菌属CIS，其同时携带Pvc13和AIg19同源基因，暗示跨界宿主适应的杂交进化策略。

BISs与T6SS^iv的结构同源性

以Parabacteroides distasonis的CIS^Pd为代表，BISs的鞘蛋白与T6SS^iv和MAC聚为进化枝Ib（自展支持率98%）。基因簇比对显示BDI_2455与T6SS^iv的Aasi_0556具有30.4%序列相似性，三级结构预测显示其三聚体构象的均方根偏差（RMSD）仅3.726 ?，提示二者可能通过相似膜锚定机制发挥作用。

毒素蛋白的功能探秘

在CIS^Pd中鉴定的候选毒素BDI_2459（含DUF4157域）虽被机器学习模型预测为毒素（得分0.81），但其缺乏典型毒素的N端无序结构域。大肠杆菌异源表达实验显示，单独表达无抗菌活性，而融合周质转运标签（Tat系统）后出现微弱生长抑制，暗示其可能需特定定位或伴侣蛋白激活。域分析提示其功能更接近FtsK/SpoIIIE样DNA分离ATP酶，这为理解CISs的非经典效应机制提供了新方向。

微生物组工程的潜在靶点

该研究首次系统描绘了CISs的全球生态分布谱，揭示BISs作为人类肠道菌群的特化武器库，其结构简化模式与T6SS^iv的趋同进化令人瞩目。尽管BDI_2459的功能尚未完全阐明，其与DUF4157域的关联为开发新型抗菌剂提供了线索。未来研究需聚焦BISs的宿主细胞识别机制，这将为精准调控肠道菌群奠定基础。