微生物在哺乳動物腸道中定植跨物種遺傳機(jī)制研究
摘要：盡管腸道微生物具有基礎(chǔ)重要性，但其定植的遺傳基礎(chǔ)在很大程度上仍未得到探索。本文通過在生命之樹尺度上應(yīng)用跨物種基因型-生境關(guān)聯(lián)分析，鑒定了與腸道定植相關(guān)的保守微生物基因模塊。在數(shù)千個物種中，我們發(fā)現(xiàn)了79個分類學(xué)上多樣化的推定定植因子，這些因子被組織成操縱子和非操縱子模塊。它們包括先前已表征的定植途徑，如自誘導(dǎo)劑-2生物合成，以及新過程，包括tRNA修飾和翻譯。體內(nèi)功能驗證顯示，YigZ（IMPACT家族）和tRNA羥基化蛋白-P（TrhP）是大腸桿菌腸道定植所必需的。僅過表達(dá)YigZ就足以將定植能力差的大腸桿菌MG1655的定植能力增強(qiáng)超過100倍。此外，YigZ的自然等位基因變異影響菌株間的定植效率。我們的發(fā)現(xiàn)突顯了大規(guī)模比較基因組學(xué)在揭示微生物適應(yīng)遺傳基礎(chǔ)方面的力量。這些廣泛保守的定植因子可能對理解胃腸道失調(diào)和開發(fā)治療方法至關(guān)重要。
背景本研究旨在系統(tǒng)揭示微生物在哺乳動物腸道中定植的遺傳基礎(chǔ)。盡管腸道微生物對人類健康至關(guān)重要，但其定植機(jī)制仍不明確，尤其是跨物種的共性遺傳因素。先前研究多局限于少數(shù)可培養(yǎng)物種（如擬桿菌屬），且難以覆蓋不可培養(yǎng)或遺傳難操作的微生物。隨著宏基因組數(shù)據(jù)的積累，本研究開發(fā)了一種計算框架，通過在生命之樹尺度上比較腸道與環(huán)境微生物的基因組，識別保守的定植相關(guān)基因模塊，并輔以實(shí)驗驗證，以揭示廣泛適用的定植機(jī)制。
文章內(nèi)容總結(jié)
1.生命之樹尺度的基因型-生境關(guān)聯(lián)分析揭示保守的推定定植因子通過構(gòu)建計算框架，從約28萬個初始基因組中篩選出9,475個高質(zhì)量、低冗余的基因組，并利用全對全蛋白質(zhì)比對和互信息分析，系統(tǒng)性地尋找與哺乳動物腸道定植顯著相關(guān)的蛋白質(zhì)，成功鑒定出79個在系統(tǒng)發(fā)育上多樣且與腸道環(huán)境顯著相關(guān)的保守蛋白質(zhì)家族，即推定定植因子，這些CFs在不同數(shù)據(jù)集和技術(shù)參數(shù)下均表現(xiàn)穩(wěn)健。
2.人與鼠腸道微生物的定植因子高度重疊通過比較在人類和鼠類腸道微生物中鑒定出的CFs，分析它們在不同宿主和基因組類型中的分布情況，發(fā)現(xiàn)37個CFs是人與鼠共有的，表明存在跨宿主的共同定植機(jī)制，同時部分CFs顯示出對培養(yǎng)條件或宏基因組技術(shù)的偏好性。
3.定植模塊揭示功能相關(guān)的基因群基于CFs在基因組中的共繼承模式將它們分組為更高層次的功能單元——定植模塊，最終確定了47個定植模塊，其中23個包含多個CFs，這些模塊既包括已知的操縱子結(jié)構(gòu)，也揭示了新的非操縱子功能關(guān)聯(lián)，表明CFs在基因組中是以功能協(xié)同的方式組織起來的。
4.定植模塊涵蓋已知和全新的生物學(xué)過程對CMs進(jìn)行系統(tǒng)的功能注釋以了解它們所代表的生物學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)CMs的功能包括已知與定植相關(guān)的代謝、群體感應(yīng)等過程，但也包含大量功能未知的蛋白質(zhì)，提示存在此前未被認(rèn)識的定植機(jī)制。
5.翻譯相關(guān)因子是關(guān)鍵的定植模塊通過深入分析得分最高的CMs，發(fā)現(xiàn)其中許多與tRNA修飾和翻譯調(diào)控有關(guān)，從而將翻譯相關(guān)過程確立為一類新的、與腸道定植密切相關(guān)的核心功能，這不同于傳統(tǒng)的與厭氧代謝等相關(guān)的定植因子。
6.TrhP和YigZ被實(shí)驗驗證為大腸桿菌的必需定植因子在定植能力強(qiáng)的大腸桿菌MP1菌株中敲除四個選定的翻譯相關(guān)CF基因，并通過與野生型菌株在小鼠腸道內(nèi)競爭以評估其定植能力，結(jié)果顯示敲除yigZ或trhP會顯著削弱菌株的定植能力，而在體外不影響生長，證明它們是體內(nèi)定植特異性的必需因子。
7.過表達(dá)YigZ足以顯著增強(qiáng)弱定植菌株的定植能力通過在定植能力弱的大腸桿菌MG1655菌株中引入來自強(qiáng)定植菌株MP1的CF基因，測試其是否能"補(bǔ)救"MG1655的定植缺陷，發(fā)現(xiàn)僅過表達(dá)yigZ即可使MG1655的早期定植水平提升超過100倍，證明該單個基因在增強(qiáng)定植能力上具有充分性。
8.腸道微生物擁有更豐富的定植模塊庫通過比較腸道來源與環(huán)境來源的微生物基因組所攜帶的CMs數(shù)量，發(fā)現(xiàn)腸道微生物編碼的CMs數(shù)量顯著多于其環(huán)境中的近親，表明成功的腸道定植者普遍依賴于一個更大的"定植工具包"。
9.定植因子在生命之樹中廣泛分布但模式各異將CFs的分析擴(kuò)展至GTDB數(shù)據(jù)庫的11.3萬個代表性基因組，以考察其跨門類分布和系統(tǒng)發(fā)育信號，發(fā)現(xiàn)CFs在不同門類中普遍存在，但其保守程度和系統(tǒng)發(fā)育信號（垂直遺傳vs.水平轉(zhuǎn)移）因CF和分類群而異，揭示了其進(jìn)化歷史的多樣性。
10.定植模塊在物種內(nèi)呈現(xiàn)"全有或全無"的分布模式通過分析CMs在同一個物種不同菌株中的存在/缺失頻率，發(fā)現(xiàn)CMs在物種內(nèi)呈雙峰分布——即在絕大多數(shù)菌株中要么都存在，要么都缺失，這種高度保守性解釋了為何僅在近緣物種間比較難以發(fā)現(xiàn)它們。
11.YigZ的自然等位基因變異導(dǎo)致定植表型差異通過探究同一物種內(nèi)（大腸桿菌）CFs的序列變異是否與定植能力差異相關(guān)，發(fā)現(xiàn)YigZ蛋白的關(guān)鍵氨基酸替換（如M25L,H146S）能顯著影響定植效率，并且強(qiáng)定植等位基因在人體分離株中更常見，證明了微小的序列變異足以驅(qū)動生態(tài)適應(yīng)。
相關(guān)新聞推薦
1、納米材料Cu2-xSe NCs可在1 h內(nèi)殺死所有大腸桿菌和金黃色葡萄球菌、革蘭氏陽性菌
2、肌苷對酸土脂環(huán)酸芽孢桿菌的生長抑制效果、對橙汁品質(zhì)影響——摘要、材料與方法
3、不同磁化水處理對有益微生物（苜蓿根瘤菌）生長及功能的影響——材料與方法