《Cell》肠道微生物定植的保守遗传基础：开启微生物组研究新征程

时间：2025年4月5日

来源：Cell

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为探究肠道微生物定植的遗传基础，哥伦比亚大学等机构的研究人员开展了跨物种基因型 - 栖息地关联研究。他们发现 79 个假定定植因子（CFs）及相关模块（CMs），证实 YigZ 和 TrhP 是大肠杆菌定植关键因子。该研究为理解肠道微生物生态和开发疗法提供依据。

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在人体的肠道中，数以万亿计的微生物栖息其中，它们与人体健康息息相关，从帮助消化食物到调节免疫系统，都离不开这些微生物的参与。然而，长期以来，肠道微生物能够成功在肠道定植的遗传基础却一直是个未解之谜。肠道微生物的定植过程复杂，受到多种因素影响，了解其遗传基础不仅有助于揭示肠道微生物群落失衡（dysbiosis）在疾病状态下的发生机制，还能为开发具有强大定植能力的有效活体生物治疗产品（LBPs）提供关键信息。但以往相关研究存在诸多局限，例如研究范围仅局限于少数物种，且多集中在拟杆菌属，对于更广泛的共生菌，尤其是那些难以培养或遗传操作困难的菌种研究较少。同时，通过计算方法识别微生物定植基因时，也面临着物种和基因组多样性高、大量蛋白质功能未知等挑战。

为了深入探究肠道微生物定植的遗传基础，哥伦比亚大学（Columbia University）等机构的研究人员展开了一项具有创新性的研究。他们运用跨物种基因型 - 栖息地关联研究方法，在生命之树的尺度上进行大规模分析，并结合实验验证，最终取得了一系列重要成果。该研究成果发表在《Cell》杂志上，为该领域的研究开辟了新的方向。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。首先，通过精心筛选 9475 个高质量基因组，这些基因组涵盖了培养获得的微生物分离株和非培养的宏基因组组装基因组（MAGs），确保研究物种的广泛性。接着，采用基于比对的方法识别同源蛋白，并利用互信息（MI）分析确定与肠道定植相关的蛋白。随后，运用马尔可夫聚类算法（MCL）对相关蛋白进行聚类，从而发现定植因子（CFs）和定植模块（CMs）。最后，通过构建小鼠肠道定植模型，对关键因子进行体内功能验证。

研究结果主要包括以下几个方面：

树状生命尺度基因型 - 栖息地关联揭示潜在 CFs：研究人员假设不同细菌类群利用共同的定植机制，通过比较哺乳动物肠道微生物和环境微生物的基因，他们从 208K 个基因组中筛选出 9475 个高质量基因组进行分析。利用互信息分析，在三个数据集（小鼠 MAGs、人类 MAGs 和人类分离株）中分别确定了与肠道定植相关的蛋白，并将这些蛋白聚类为 82 个蛋白家族，经过重新评估，最终得到 79 个假定 CFs。这些 CFs 在不同数据集间有显著重叠，且在肠道微生物中普遍存在，其分布与宿主物种和技术差异无关，体现出很强的统计学稳健性。
CFs 形成功能模块：研究人员进一步将 CFs 分组为功能相关的模块。通过计算 79 个 CFs 之间的共遗传强度，他们识别出 47 个定植模块（CMs），包括 23 个多 CF CMs 和 24 个单 CF CMs。这些 CMs 与操纵子和非操纵子结构相关，涵盖了已知和未知的肠道定植功能关系，如厌氧核糖核苷三磷酸还原酶（RNR）相关的 CM1 和参与群体感应分子自诱导物 - 2（AI - 2）生物合成的 CM11 等。同时，CMs 也揭示了一些与肠道定植相关的新机制，其中翻译相关因子在高分 CMs 中显著富集。
TrhP 和 YigZ 是小鼠肠道定植的关键 CFs：大肠杆菌不同菌株的定植效率差异很大，研究人员以定植能力差异显著的 MG1655 和 MP1 菌株为研究对象，对四个翻译相关 CFs（yigZ、tcdA、trhP 和 ybaK）进行研究。通过构建单基因敲除的 MP13 菌株，并与 MP7 菌株进行体内竞争实验，发现 ΔyigZ 和 ΔtrhP 菌株的定植能力显著降低，且在体外无生长缺陷，表明 yigZ 和 trhP 是大肠杆菌 MP1 菌株肠道定植所必需的。
过表达 yigZ 可增强大肠杆菌 K12（MG1655）的定植能力：由于 MG1655 菌株在小鼠和人体内定植能力较差，研究人员构建了携带不同 CFs 的增益功能（GoF）质粒，并转化到带有基因组条形码的 MG1655 菌株中。通过体内竞争实验发现，过表达 yigZ_mp13可使 MG1655 菌株的定植能力在第 2 天增强 114 倍，第 3 天增强 302 倍，证明了 yigZ 对大肠杆菌定植的重要作用。
肠道适应与 CMs 的多样性相关：研究人员对 CMs 在不同微生物物种中的分布和进化进行研究，发现 CMs 和 CFs 广泛存在于主要的肠道微生物分类群中，且肠道微生物基因组中包含的 CMs 比环境微生物更多。在不同分类类群中，肠道微生物编码的 CMs 也更多。此外，CFs 在生命之树中分布广泛，但在分类范围、保守性和系统发育信号方面存在差异。
yigZ 的自然等位基因变异导致定植能力差异：尽管 CMs 在物种内具有保守性，但仍存在序列和拷贝数变异。研究人员以 yigZ 为例，分析了 2948 个自然发生的大肠杆菌分离株，发现 YigZ 在第 25 和 146 位氨基酸存在常见变异。通过克隆不同菌株的 yigZ 并在 MG1655 中过表达进行体内竞争实验，发现携带 YigZ_MP1的菌株定植优势更高。在人群水平上，YigZ_MP1编码菌株在人类相关大肠杆菌分离株中更常见。

综上所述，该研究通过跨基因组基因型 - 栖息地关联方法，揭示了肠道微生物定植的保守遗传基础，发现了多个与肠道定植相关的 CFs 和 CMs，并验证了 YigZ 和 TrhP 在大肠杆菌定植中的关键作用。这些发现为理解微生物群落在健康和疾病状态下的动态变化提供了重要基础，也为通过调控肠道微生物来改善人类健康提供了新的策略。同时，研究也指出了存在的局限性，如将栖息地表示为二元变量、未考虑宿主效应等，为后续研究指明了方向。未来研究可进一步深入探究这些定植因子和模块的具体作用机制，以及如何利用这些发现开发更有效的微生物疗法，从而为人类健康事业做出更大贡献。