人肠道优势产甲烷古菌DNA携带型胞外囊泡的生物发生机制及其对甲烷生成的潜在影响

研究人员针对人肠道优势产甲烷古菌Methanobrevibacter smithii的胞外囊泡(EVs)生物发生机制展开研究，首次揭示其通过细胞膜出芽和细胞壁局部破裂释放EVs的过程。研究发现EVs富含组蛋白、DNA修复蛋白及2.9 kb环状DNA(eccDNA)和原病毒基因组，这些分子可能通过调控辅酶F420和辅酶M的生物合成影响甲烷生成。该研究为理解古菌EVs在肠道微环境中的功能提供了新视角。

　　

在人类肠道复杂的微生物生态系统中，产甲烷古菌Methanobrevibacter smithii占据着特殊地位，其数量占肠道古菌群的90%以上。这类严格厌氧的微生物通过将二氧化碳还原为甲烷获取能量，这一过程对人类健康和环境均有重要影响。然而，长期以来科学界对这类古菌如何与肠道环境相互作用知之甚少。胞外囊泡(EVs)作为细胞间通讯的重要媒介，在细菌和真核生物中已有深入研究，但古菌特别是具有肽聚糖细胞壁的古菌EVs研究仍是空白。

针对这一知识缺口，来自法国巴斯德研究所等机构的研究团队在《Nature Communications》发表了开创性研究。他们首次揭示了M. smithii产生EVs的分子机制，发现这些纳米级囊泡不仅携带DNA，还富含与甲烷生成相关的关键酶类。这一发现为理解古菌在肠道生态系统中的作用提供了新视角，也为开发基于古菌EVs的生物技术应用奠定了基础。

研究团队运用了多项关键技术：通过密度梯度超速离心纯化EVs，结合纳米流式细胞术(NanoFCM)和透射电镜(TEM)进行粒径分析；采用Illumina测序分析EVs携带的DNA成分；利用定量蛋白质组学(iBAQ)鉴定EVs蛋白质组成；最后通过冷冻电子断层扫描(cryo-ET)在近原子尺度解析EVs的生物发生过程。所有实验均使用M. smithii PS(ATCC 35061)标准菌株，在严格厌氧条件下培养。

EVs的特征分析
研究建立了针对含肽聚糖古菌的EVs纯化方案，通过碘克沙醇密度梯度离心获得高纯度EVs。TEM显示EVs呈球形，直径主要在20-180 nm范围，中位数为32 nm。纳米流式检测发现约3%的EVs直径超过100 nm，可能承担特殊功能。

DNA成分的意外发现
EVs携带三类DNA：随机染色体片段(测序深度15x)、MSTV1原病毒(420x)和2.9 kb环状DNA(9106x)。其中环状DNA源自染色体特定区域的精确切除，编码辅酶F₄₂₀和辅酶M合成酶，这两种辅酶是甲烷生成途径的关键组分。

蛋白质组学揭示功能特征
定量蛋白质组学鉴定出417种EVs蛋白质，最丰富的是三种组蛋白变体，表明DNA以染色质形式存在。显著富集的蛋白质包括DNA修复酶(如EndoMS/NucS、UvrA、XPF)和甲烷代谢相关酶(如MtrH、CofH)。值得注意的是，原病毒编码的Orc1/Cdc6 AAA+ ATP酶是EVs中第四丰富的蛋白质，可能参与病毒生命周期调控。

冷冻电镜揭示生物发生机制
cryo-ET首次捕捉到EVs形成的动态过程：直径12-45 nm的EVs先滞留在肽聚糖与细胞膜间的"口袋"中，随后通过细胞壁局部破裂释放。这一机制与单层膜细菌的EVs产生方式相似，但不同于其他古菌依赖ESCRT系统或Ras样GTP酶的途径。

这项研究揭示了古菌EVs生物发生的第三种机制，填补了含肽聚糖古菌细胞生物学研究的空白。发现EVs选择性富集代谢关键元件(eccDNA和辅酶合成酶)，暗示其可能通过"代谢货物"的传递调节肠道甲烷生成。原病毒DNA的高频检出为理解古菌病毒传播提供了新线索。

从更广泛的视角看，这项研究开辟了多个新方向：首先，古菌EVs可能像细菌EVs一样参与肠道菌群互作和宿主调控；其次，eccDNA的发现为古菌表观遗传调控研究提供了新线索；最后，建立的方法学框架将推动其他难培养古菌的EVs研究。正如作者指出，未来研究可探索这些EVs是否能在人类肠道复杂的物理化学条件下保持功能，以及它们是否参与甲烷生成与宿主健康的关联。这些发现不仅对基础微生物学有重要意义，也为开发基于古菌EVs的药物递送系统提供了理论依据。