2658个 Desulfovibrio 基因组的广泛多样性揭示与炎症性疾病相关的物种特异性功能性状及 H2S 产生潜力

《Nature Communications》：Extensive genomic diversity in Desulfovibrio reveals species-specific functional traits associated with disease

　　

Desulfovibrio spp. 与炎症性疾病和人类健康相关，但代表性基因组和分离株有限，阻碍了对某在疾病中作用的理解。在此，研究人员构建了覆盖90种疾病和32个国家的2658个 Desulfovibrio 基因组的综合数据库，包括24个人源分离株。基因组分析显示广泛的物种多样性，并揭示疾病相关功能性状，包括鞭毛蛋白（flagellin）和适应性相关基因（即脲酶（ureases））。鞭毛蛋白介导的Toll样受体5（Toll-like receptor 5, TLR5）激活具有物种特异性，且 D. desulfuricans 鞭毛蛋白下调小鼠小肠类器官中TGF-beta信号传导，提示免疫耐受受损。此外，研究人员研究了硫化氢（hydrogen sulfide, H₂S）产生的基因组能力，H₂S是 Desulfovibrio 的主要代谢产物。健康和疾病相关 Desulfovibrio spp. 主要编码异化硫酸盐还原（dissimilatory sulfate reduction），而编码连四硫酸盐代谢（tetrathionate metabolism）的细菌仅在炎症性肠病（inflammatory bowel diseases, IBD）中检测到，包括 Proteus mirabilis 和 Morganella morganii。总体而言，该研究提供了全面的 Desulfovibrio 基因组资源，并识别出将菌株变异、功能性状和 H₂S 产生与炎症性疾病关联的新线索。

该论文发表于《Nature Communications》，围绕 Desulfovibrio 的基因组多样性、物种特异性功能性状及其与炎症性疾病的关联展开。研究背景方面，Desulfovibrio 是人类肠道中的主要硫酸盐还原菌，其丰度增加与炎症性肠病（inflammatory bowel diseases, IBD）、结直肠癌（colorectal cancer, CRC）、系统性硬化、Parkinson’s disease 和 irritable bowel syndrome 等多种疾病相关；动物模型显示其可促进结肠炎症，且在定植患者来源 Crohn’s disease（CD）菌群的小鼠中，其相对丰度可区分炎症状态。然而，也有研究提示 Desulfovibrio 与健康正相关，例如在健康中国成人中高于超重和肥胖者，在瑞典学龄前儿童中增加，在 ulcerative colitis（UC）患者炎症黏膜中降低。因此，其功能角色尚需明确。已有功能研究多聚焦 H₂S，H₂S 在低浓度下可作为线粒体能量底物并参与解毒，但过量 H₂S 具有细胞毒性，可损伤上皮屏障并触发炎症和 CRC。肠道细菌可通过有机硫和无机硫代谢产生 H₂S，包括牛磺酸厌氧呼吸、异化硫酸盐还原、同化硫酸盐还原、半胱氨酸降解和连四硫酸盐呼吸等。尽管有进展，肠道 H₂S 贡献者仍未被充分探索。其他研究多基于单个菌株，如固氮、脂多糖诱导 IL-6 和 IL-8、与 Faecalibacterium prausnitzii 的交叉喂养等，但 Desulfovibrio 难以分离，全面基因组分析仍缺乏。NCBI RefSeq 中仅约280个 Desulfovibrio 基因组，且 Desulfovibrionaceae 近期被重新分类至 Desulfovibrionia，凸显重新审视分类注释的必要性。基于此，研究人员构建了2658个 Desulfovibrio 基因组数据库，并结合24个人源分离株，以鉴定与疾病相关的功能性状。

技术方法概述（≤250字）：研究人员整合11,017份来自10个人类宏基因组队列（中国南方、日本、尼泊尔、坦桑尼亚、荷兰、美国、德国、法国、以色列；含 LifeLinesNext、荷兰微生物组队列、1000IBD 等）及 MetaRefSGB 超过10万份宏基因组的样本，结合公共数据库，经组装、分箱、CheckM 质控和 dRep 去重获得宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes, MAGs）；对24个人源分离株（EEN 儿科 CD 研究、CRC 队列、Lifelines、1000IBD、OpenBiome 及公共收藏）进行 Illumina 和/或 ONT 测序与 Unicycler 组装。采用 GTDB-tk 分类、Mashtree/核心基因树、Roary 泛基因组、PERMANOVA、ABRicate 抗性与毒力注释、hmmscan 硫代谢基因分析；利用 HEK-Blue TLR5 报告细胞、重组鞭毛蛋白、小鼠小肠类器官（野生型与 Tlr5 敲除）及 RNA-seq、药敏试验、透射电子显微镜和运动实验。

研究结果如下。

1. 构建2658个 Desulfovibrio 基因组的综合数据库。研究人员分析10个人类队列的11,017份样本，获得1921个高质量 MAGs，并从 MetaRefSGB 获得578个基因组，从公共数据库获得442个基因组，结合24个人源分离株，去重后形成2658个独特基因组，覆盖37个物种，其中3个为潜在新种，来自174项宏基因组研究、90种疾病和健康状态、32个国家。多数基因组属于 Desulfovibrio elongatum sp. nov.（即 D. sp900556755），其次为 D. piger_A、D. piger、D. sp900319575 和 D. fairfieldensis。该数据库为后续菌株和基因特异性疾病信号分析提供基础。

2. Desulfovibrio spp. 存在于不同人类疾病和健康状态。通过 mash 距离构建系统发育，686个基因组来自健康样本，1503个来自患者样本，但未观察到按疾病表型明显聚类。两个鼠源物种单独聚类，14个环境来源基因组与人源基因组混合。研究人员还发现3个潜在新种，其中 clade I 含70个基因组，提示 Desulfovibrio 多样性仍未被充分揭示。

3. Desulfovibrio spp. 在细胞运动、脲酶、NADH 脱氢酶和氧化还原酶基因方面存在差异。基于直系同源群（clusters of orthologous groups, COGs）分析，鞭毛蛋白基因 COG1344 在28个物种的所有基因组中存在，包括 D. fairfieldensis、D. desulfuricans、D. legallii 和 Desulfovibrio clade III，而在 D. piger、D. elongatum sp. nov.、clade I 和 II 中缺失。脲酶 ureABCEFH 操纵子在 D. desulfuricans、D. legallii 等物种超过95%基因组中编码，但在 D. piger 和 D. piger_A 中缺失。nuo 基因簇和 rnfCDGEFB 基因簇也在不同物种间分布不同，提示能量转移和硫酸盐呼吸相关代谢途径存在种间差异。

4. 抗微生物耐药基因和毒力因子在不同 Desulfovibrio 物种间存在差异。毒力因子如 tufA、cheY、katA、htpB 在超过50%物种中存在，tssB 在 D. faecigallinarum 中常见，pscR 在 D. desulfuricans_D 中检测到。耐药基因方面，catB7 存在于 D. piger 和 D. elongatum sp. nov.，blaDES-1 特异于 D. desulfuricans。药敏试验显示5个物种对 kanamycin 耐药，最小抑菌浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）>64 μg/ml，仅 D. porci 对 ceftazidime 耐药，表明耐药性存在种和株水平差异。

5. 种内分支的核心和辅助基因与地理相关。PERMANOVA 显示国家和队列对辅助基因变异影响最大。D. sp900319575 可分为东亚和荷兰两个簇，东亚富集 acrB、mexA、qseB 和 rssA，荷兰富集 legI、dinJ 及插入序列元件 ISSau1、ISAsp8、ISAzs12，提示地理相关基因组可塑性和毒力基因库差异。

6. 鞭毛化的 CD 和 CRC 相关 D. desulfuricans 与 D. legallii 激活 TLR5。CD 中78个 COGs 富集，ureABCEF 显著富集；CRC 中195个 COGs 增加，MPH1 样解旋酶最显著，mreC 缺失。CD 和 CRC 共享62个疾病富集 COGs，其中22个与鞭毛相关。透射电子显微镜确认 D. desulfuricans、D. fairfieldensis 和 D. legallii 有可见鞭毛，非鞭毛 D. elongatum sp. nov. 无。培养上清刺激 HEK-Blue TLR5 报告细胞显示，鞭毛化物种激活 TLR5，重组鞭毛蛋白除 Fla2DF 外均显著激活 TLR5。

7. D. desulfuricans 鞭毛蛋白处理类器官抑制 TGF-beta 信号。研究人员重组表达并纯化鞭毛蛋白，用小鼠小肠类器官野生型和 Tlr5 敲除模型进行 RNA-seq。Fla2DD_MS020 诱导独特表达谱，呈 TLR5 非依赖特征，显著下调 TGF-beta 信号通路，包括 Tgfbr1、Smad2/5、Sox6/9，同时上调氧响应相关 Nlrp6、Egr1、Egln3。未检测到其他 TLR 补偿激活，Nlrp6 上调未伴随炎症小体激活，提示 D. desulfuricans 鞭毛蛋白可能破坏免疫耐受。

8. 比较广泛 Desulfovibrio spp. 的硫代谢能力。研究人员基于 KEGG 和既往研究建立硫代谢基因数据库，包括异化硫酸盐还原、同化硫酸盐还原、半胱氨酸降解、连四硫酸盐代谢和牛磺酸代谢。81.34% Desulfovibrio 基因组编码完整异化硫酸盐还原途径，超过99%基因组含至少80%途径基因，但该途径与疾病无显著关联。牛磺酸代谢基因存在种间差异，ald 基因种特异。IBD 和 CRC 中 ald 和 ttrBCA 富集，yhaO 减少，提示其他 H₂S 产生途径与疾病相关。

9. 研究 IBD 微生物组的 H₂S 产生能力。在深度测序 IBD 队列中，54个 Desulfovibrio MAGs 中40个编码异化硫酸盐还原。连四硫酸盐途径分布于9个属的41个 MAGs，包括 Desulfovibrio、Proteus、Morganella 等。443个 MAGs 来自16个属，编码同化硫酸盐还原的7个基因，缺少 sat 和 sir，但 cysD/cysN 和 cysIJ 可代偿。连四硫酸盐代谢基因在 UC 和 CD 中丰度显著增加，且在 CD 中转录活跃。Proteus mirabilis 含 ttrRS 和 ttrBCA 基因簇，Morganella morganii MAGs 仅在 IBD 中检测到。牛磺酸和半胱氨酸降解基因在 IBD 中增加。

讨论部分表明，Desulfovibrio 分离困难限制了其功能研究；该研究通过大规模宏基因组分析和靶向分离，建立了综合数据库和代表菌株。疾病相关鞭毛基因在 D. desulfuricans、D. fairfieldensis 和 D. legallii 中发现，TLR5 和株特异性免疫激活提供了与 IBD 和 CRC 发病的潜在联系。D. desulfuricans 鞭毛蛋白抑制 TGF-beta 信号，可能破坏先天和适应性免疫耐受，且该效应独立于 TLR5，推测可能结合其他表面受体，但尚待鉴定。脲酶在 CD 中富集，并由 D. desulfuricans 和 D. legallii 编码，提示与氮代谢和 CD 的潜在联系。H₂S 方面，异化硫酸盐还原无疾病差异，但连四硫酸盐呼吸在 IBD 中丰度和转录活性增加，可能形成加重肠道炎症的正反馈；P. mirabilis 和 M. morganii 等为新的疾病相关 H₂S 产生候选菌。研究局限包括全球样本覆盖不均、粪便与肠道不同区域菌群可能不同、H₂S 测量困难、新种特征需进一步研究以及 MAGs 可能含组装错误。研究结论翻译为：总体而言，该研究提供了全面的 Desulfovibrio 基因组资源，并识别出将菌株变异、功能性状和 H₂S 产生与炎症性疾病关联的新线索。