北京時間6月8日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所馬迎飛課題組在國際期刊核酸研究（Nucleic Acids Research）發表題為 “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粒，首次鑒定出一系列未知的寬宿主范圍（Broad host range，BHR）質粒，并發現BHR質粒能攜帶適應性基因在全球各種環境中廣泛傳播，提供了認識腸道生態系統及耐藥性基因傳播的新見解。
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質粒是微生物染色體外可移動的遺傳元件。腸道微生物組中含有龐大的腸道質粒組，是腸道生態系統中水平基因轉移事件的重要參與者。攜帶適應性基因的BHR質粒可以大幅度地跨系統發育類群轉移，促進不同的宿主適應不同環境。研究BHR質粒的傳播機制及其攜帶的元件對理解菌群演化、抗生素抗性的全球傳播以及質粒元件工程化等方面具有重要意義。
過去，科學家們從臨床等各種環境中零星分離表征了少數BHR質粒，但因缺乏大規模且系統的研究，人們對其的理解依舊缺乏。生物信息學的發展令研究者可以從宏基因組中大規模分析并組裝質粒序列，但現有工具仍不足以準確解析腸道質粒的宿主范圍而辨別BHR質粒。本研究基于培養組學所得的人類腸道細菌分離株的基因組草圖，鑒定并表征了分離株所攜帶的質粒樣序列（plasmid-like sequences，PLSs），并分析其準確的宿主范圍、環境穩定性與普遍性、攜帶基因以及傳播和進化軌跡。
在該研究中，科研團隊開發了一套鑒定PLSs的分析方法（圖1A）。以人類腸道細菌分離株的基因組草圖為樣本，團隊篩選得到大量的PLSs，并發現其廣泛分布在不同屬的細菌宿主中（圖1B）。這些PLSs可以進而被分組為擬質粒簇（plasmid-like clusters，PLCs），并進一步檢查負責復制、動員、接合或穩定的質粒骨架基因，并鑒定其大小與完整性（圖1C）。團隊進一步將高完整性(＞60%)的PLCs與公共數據庫中的質粒序列進行了比較，構建了全序列相似網絡，并將序列劃分為103個網絡分型組（圖1D與1E），結果表明網絡布局與復制子類型一致。分析的PLCs存在數種復制子類型，其中有許多PLCs復制子未知，形成了多個獨立網絡分型組，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。
以不同國家的腸道宿主樣本為參考，團隊在前述PLSs集中鑒定了402個能跨屬傳播的PLCs，其中部分PLCs在不同國家的樣本中均有檢出。以多樣性為前提，對代表的175個寬宿主范圍PLCs分析，團隊發現擬桿菌屬、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個門、24個屬傳播。團隊還發現，對于測試的寬宿主范圍PLCs，有61.2%的PLCs可以穩定存在至少150天，或是其廣泛傳播的基礎（圖2D）。
由于質粒常攜帶適應性基因，團隊重點分析了人腸道質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）。結果發現，在分析的PLCs中，有6.3%（339個）的PLCs攜帶耐藥性基因，個別PLCs甚至攜帶多達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。類似的宿主特異性分布現象也在碳水化合物活性酶基因上出現，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質粒攜帶這三類適應性基因的頻率高于可移動型的BHR質粒。
以不同國家人腸道、豬腸道以及污水廠的宏基因組樣本為參照，團隊發現22.91%的PLCs可以在不同環境生態位中存在（圖4A）。PLCs也廣泛的跨人群存在（圖4B），且不同生活習慣能造成PLCs種類分布差異（圖4C）。其中，13個BHR質粒在不同人群中高度流行（流行率>10%），其中代表性的BHR質粒Clstr_599，以大于16.5%的流行率存在于所有人群中，并出現在所有環境生態位中（圖4D）。BHR質粒也攜帶了抗生素抗性基因廣泛出現在不同的人口和環境樣本中，可能極大地促進了ARGs以及其他適合基因在各種環境中的傳播（圖4E）。通過構建單倍型網絡，團隊還分析了代表性質粒Clstr_599的進化和傳播軌跡，發現其在細菌門與環境之間的傳播極為迅速，所有傳播時間都發生在0 ~ 10年前，并在人群中定植多次。團隊還強調，正是Clstr_599復制機制的通用性介導了Clstr_599大幅的跨宿主轉移。
綜上，本研究對人類腸道質粒進行了系統挖掘，鑒定了一系列具有寬宿主范圍且在全球廣泛傳播的質粒，為深入了解人體腸道質粒組多樣性與新穎性提出全新見解，并突出了質粒對全球人類健康的潛在影響。此外，由于人腸道細菌多為非模式菌，當前對于腸道細菌的編輯缺少合適的基因編輯工具。本研究發現的廣宿主質粒在腸道細菌和噬菌體基因組編輯領域將具有巨大的應用潛力。
中科院深圳先進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B（XDB29050501）、深圳合成生物學創新研究院等項目的資助。該研究也得到先進院周豪魁、胡政、戴磊以及華大基因鄧子卿的支持和幫助。
圖1 人腸道細菌分離株中PLSs的鑒定與特性分析
圖2 人類腸道質粒跨系統發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在不同生態位和人群中的流行率
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