北京時(shí)間6月8日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所馬迎飛課題組在國(guó)際期刊核酸研究（Nucleic Acids Research）發(fā)表題為 “Global transmission of broad-host-range plasmids derived from the human gut microbiome” 的文章。該工作深度分析并揭示了大量人腸道質(zhì)粒，首次鑒定出一系列未知的寬宿主范圍（Broad host range，BHR）質(zhì)粒，并發(fā)現(xiàn)BHR質(zhì)粒能攜帶適應(yīng)性基因在全球各種環(huán)境中廣泛傳播，提供了認(rèn)識(shí)腸道生態(tài)系統(tǒng)及耐藥性基因傳播的新見解。
文章上線截圖
質(zhì)粒是微生物染色體外可移動(dòng)的遺傳元件。腸道微生物組中含有龐大的腸道質(zhì)粒組，是腸道生態(tài)系統(tǒng)中水平基因轉(zhuǎn)移事件的重要參與者。攜帶適應(yīng)性基因的BHR質(zhì)粒可以大幅度地跨系統(tǒng)發(fā)育類群轉(zhuǎn)移，促進(jìn)不同的宿主適應(yīng)不同環(huán)境。研究BHR質(zhì)粒的傳播機(jī)制及其攜帶的元件對(duì)理解菌群演化、抗生素抗性的全球傳播以及質(zhì)粒元件工程化等方面具有重要意義。
過去，科學(xué)家們從臨床等各種環(huán)境中零星分離表征了少數(shù)BHR質(zhì)粒，但因缺乏大規(guī)模且系統(tǒng)的研究，人們對(duì)其的理解依舊缺乏。生物信息學(xué)的發(fā)展令研究者可以從宏基因組中大規(guī)模分析并組裝質(zhì)粒序列，但現(xiàn)有工具仍不足以準(zhǔn)確解析腸道質(zhì)粒的宿主范圍而辨別BHR質(zhì)粒。本研究基于培養(yǎng)組學(xué)所得的人類腸道細(xì)菌分離株的基因組草圖，鑒定并表征了分離株所攜帶的質(zhì)粒樣序列（plasmid-like sequences，PLSs），并分析其準(zhǔn)確的宿主范圍、環(huán)境穩(wěn)定性與普遍性、攜帶基因以及傳播和進(jìn)化軌跡。
在該研究中，科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套鑒定PLSs的分析方法（圖1A）。以人類腸道細(xì)菌分離株的基因組草圖為樣本，團(tuán)隊(duì)篩選得到大量的PLSs，并發(fā)現(xiàn)其廣泛分布在不同屬的細(xì)菌宿主中（圖1B）。這些PLSs可以進(jìn)而被分組為擬質(zhì)粒簇（plasmid-like clusters，PLCs），并進(jìn)一步檢查負(fù)責(zé)復(fù)制、動(dòng)員、接合或穩(wěn)定的質(zhì)粒骨架基因，并鑒定其大小與完整性（圖1C）。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將高完整性(＞60%)的PLCs與公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的質(zhì)粒序列進(jìn)行了比較，構(gòu)建了全序列相似網(wǎng)絡(luò)，并將序列劃分為103個(gè)網(wǎng)絡(luò)分型組（圖1D與1E），結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)布局與復(fù)制子類型一致。分析的PLCs存在數(shù)種復(fù)制子類型，其中有許多PLCs復(fù)制子未知，形成了多個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)分型組，顯示了在人類腸道微生物組中鑒定的PLCs的新穎性和多樣性。
以不同國(guó)家的腸道宿主樣本為參考，團(tuán)隊(duì)在前述PLSs集中鑒定了402個(gè)能跨屬傳播的PLCs，其中部分PLCs在不同國(guó)家的樣本中均有檢出。以多樣性為前提，對(duì)代表的175個(gè)寬宿主范圍PLCs分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)擬桿菌屬、埃希菌屬和雙歧桿菌屬是這些寬宿主范圍PLCs最常見的宿主，并且不同的組別（Group）顯示出不同的宿主分布差異（圖2A、2B與2C）。其中宿主范圍最寬的PLCs（Clstr_417）可以橫跨5個(gè)門、24個(gè)屬傳播。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于測(cè)試的寬宿主范圍PLCs，有61.2%的PLCs可以穩(wěn)定存在至少150天，或是其廣泛傳播的基礎(chǔ)（圖2D）。
由于質(zhì)粒常攜帶適應(yīng)性基因，團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)分析了人腸道質(zhì)粒編碼的抗生素耐藥性基因，毒力基因和碳水化合物活性酶基因（圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在分析的PLCs中，有6.3%（339個(gè)）的PLCs攜帶耐藥性基因，個(gè)別PLCs甚至攜帶多達(dá)7種耐藥性基因。不同種類的抗生素基因顯示出不同的宿主分布差異也提示腸道微生物組可以作為抗性基因庫(kù)。類似的宿主特異性分布現(xiàn)象也在碳水化合物活性酶基因上出現(xiàn)，其中，擬桿菌是該類基因最常見的宿主。大腸桿菌是攜帶擁有毒力基因PLCs最多的宿主(95.8%)。有趣的是，可能是由于擁有更大的基因組，接合型的BHR質(zhì)粒攜帶這三類適應(yīng)性基因的頻率高于可移動(dòng)型的BHR質(zhì)粒。
以不同國(guó)家人腸道、豬腸道以及污水廠的宏基因組樣本為參照，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)22.91%的PLCs可以在不同環(huán)境生態(tài)位中存在（圖4A）。PLCs也廣泛的跨人群存在（圖4B），且不同生活習(xí)慣能造成PLCs種類分布差異（圖4C）。其中，13個(gè)BHR質(zhì)粒在不同人群中高度流行（流行率>10%），其中代表性的BHR質(zhì)粒Clstr_599，以大于16.5%的流行率存在于所有人群中，并出現(xiàn)在所有環(huán)境生態(tài)位中（圖4D）。BHR質(zhì)粒也攜帶了抗生素抗性基因廣泛出現(xiàn)在不同的人口和環(huán)境樣本中，可能極大地促進(jìn)了ARGs以及其他適合基因在各種環(huán)境中的傳播（圖4E）。通過構(gòu)建單倍型網(wǎng)絡(luò)，團(tuán)隊(duì)還分析了代表性質(zhì)粒Clstr_599的進(jìn)化和傳播軌跡，發(fā)現(xiàn)其在細(xì)菌門與環(huán)境之間的傳播極為迅速，所有傳播時(shí)間都發(fā)生在0 ~ 10年前，并在人群中定植多次。團(tuán)隊(duì)還強(qiáng)調(diào)，正是Clstr_599復(fù)制機(jī)制的通用性介導(dǎo)了Clstr_599大幅的跨宿主轉(zhuǎn)移。
綜上，本研究對(duì)人類腸道質(zhì)粒進(jìn)行了系統(tǒng)挖掘，鑒定了一系列具有寬宿主范圍且在全球廣泛傳播的質(zhì)粒，為深入了解人體腸道質(zhì)粒組多樣性與新穎性提出全新見解，并突出了質(zhì)粒對(duì)全球人類健康的潛在影響。此外，由于人腸道細(xì)菌多為非模式菌，當(dāng)前對(duì)于腸道細(xì)菌的編輯缺少合適的基因編輯工具。本研究發(fā)現(xiàn)的廣宿主質(zhì)粒在腸道細(xì)菌和噬菌體基因組編輯領(lǐng)域?qū)⒕哂芯薮蟮膽?yīng)用潛力。
中科院深圳先進(jìn)院馬迎飛研究員為該文章的通訊作者，楊麗麗為文章第一作者。該研究得到中科院先導(dǎo)B（XDB29050501）、深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的資助。該研究也得到先進(jìn)院周豪魁、胡政、戴磊以及華大基因鄧子卿的支持和幫助。
圖1 人腸道細(xì)菌分離株中PLSs的鑒定與特性分析
圖2 人類腸道質(zhì)粒跨系統(tǒng)發(fā)育和地理地域的分布和持久性
圖3 PLCs附屬基因在PLSs中的分布
圖4 PLCs在不同生態(tài)位和人群中的流行率
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