摘要：研究人員深入探究了特定逆轉(zhuǎn)錄元件在促進(jìn)腸道微生物組的遺傳多樣性、蛋白質(zhì)進(jìn)化及適應(yīng)性方面的作用。
胃腸道中棲息著數(shù)萬億個微生物，它們構(gòu)成了一個動態(tài)而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，與人類健康和疾病息息相關(guān)。
近日，加州大學(xué)洛杉磯分校等機(jī)構(gòu)的研究人員深入探究了特定逆轉(zhuǎn)錄元件在促進(jìn)腸道微生物組的遺傳多樣性、蛋白質(zhì)進(jìn)化及適應(yīng)性方面的作用。
這項成果于10月9日發(fā)表在《Science》雜志上?！拔覀兊挠^察結(jié)果為理解基因組可塑性在塑造宿主相關(guān)微生物群落中的潛在作用打下了基礎(chǔ)，” 作者在文中寫道。
為了闡明腸道微生物組中的蛋白質(zhì)多樣性和進(jìn)化機(jī)制，研究人員首先整合了擬桿菌屬中1,103個代表菌株的參考基因組序列。
圖1 腸道微生物群中的自然定向進(jìn)化
在此基礎(chǔ)上，他們對基因組特定區(qū)域的腺嘌呤堿基進(jìn)行定向誘變，以搜索能影響基因組多樣性和蛋白質(zhì)功能進(jìn)化的多樣性生成逆轉(zhuǎn)錄元件（DGR）。
研究人員從618株細(xì)菌分離株中鑒定出1,113個DGR。其中，278株分離株含有多個DGR，如產(chǎn)酸擬桿菌、解木聚糖擬桿菌等。另外，340株分離株中含有單個DGR，包括脆弱擬桿菌和腸道擬桿菌。
基于這些發(fā)現(xiàn)，作者指出，“擬桿菌屬中的DGR相對于大多數(shù)細(xì)菌分類群更加普遍且豐富”。
研究人員通過系統(tǒng)發(fā)育分析，將DGR歸入與其他逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子不同的單系群，并證實大多數(shù)DGR屬于預(yù)測的移動遺傳元件（MGE），來源于原噬菌體或整合性接合元件。
在后續(xù)分析中，研究團(tuán)隊重點分析了35組易受DGR靶向作用的蛋白編碼序列。其中包括胞質(zhì)激酶編碼基因、與病毒受體結(jié)合的蛋白質(zhì)，以及在細(xì)菌表面形成毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的菌毛蛋白或菌毛樣蛋白。
“通過促使參與細(xì)胞黏附、信號傳導(dǎo)等功能的蛋白質(zhì)發(fā)生高變異，DGR有望在生態(tài)轉(zhuǎn)變和競爭性互作中促進(jìn)微生物適應(yīng)性，” 作者指出。
在小鼠模型上開展的實驗表明，當(dāng)微生物面臨競爭壓力時，DGR引入的隨機(jī)突變往往趨同，進(jìn)而產(chǎn)生相似的菌毛蛋白變化。
與此同時，當(dāng)研究人員利用144對母嬰樣本的宏基因組序列數(shù)據(jù)評估DGR傳播模式時，他們發(fā)現(xiàn)追蹤的2,740個DGR在順產(chǎn)后更容易發(fā)生母嬰傳播。
這些結(jié)果表明，遺傳性DGR可能對生命早期的微生物組發(fā)育產(chǎn)生重大影響。不過，作者仍謹(jǐn)慎指出：“目前尚無法確定DGR以何種速率影響發(fā)育中嬰兒的微生物組。”
“未來需要結(jié)合長讀長測序技術(shù)，對縱向獲取的母嬰樣本進(jìn)行深度測序，并結(jié)合Amplicon-Seq來深度表征多樣化可變區(qū)域，才能理解出生后的DGR動態(tài)變化，并鑒定受正向選擇影響的可變蛋白質(zhì)，” 他們解釋道。
參考資料
[1] Natural directed evolution in gut microbiota
摘要：研究人員深入探究了特定逆轉(zhuǎn)錄元件在促進(jìn)腸道微生物組的遺傳多樣性、蛋白質(zhì)進(jìn)化及適應(yīng)性方面的作用。
胃腸道中棲息著數(shù)萬億個微生物，它們構(gòu)成了一個動態(tài)而復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，與人類健康和疾病息息相關(guān)。
近日，加州大學(xué)洛杉磯分校等機(jī)構(gòu)的研究人員深入探究了特定逆轉(zhuǎn)錄元件在促進(jìn)腸道微生物組的遺傳多樣性、蛋白質(zhì)進(jìn)化及適應(yīng)性方面的作用。
這項成果于10月9日發(fā)表在《Science》雜志上?！拔覀兊挠^察結(jié)果為理解基因組可塑性在塑造宿主相關(guān)微生物群落中的潛在作用打下了基礎(chǔ)，” 作者在文中寫道。
為了闡明腸道微生物組中的蛋白質(zhì)多樣性和進(jìn)化機(jī)制，研究人員首先整合了擬桿菌屬中1,103個代表菌株的參考基因組序列。
圖1 腸道微生物群中的自然定向進(jìn)化
在此基礎(chǔ)上，他們對基因組特定區(qū)域的腺嘌呤堿基進(jìn)行定向誘變，以搜索能影響基因組多樣性和蛋白質(zhì)功能進(jìn)化的多樣性生成逆轉(zhuǎn)錄元件（DGR）。
研究人員從618株細(xì)菌分離株中鑒定出1,113個DGR。其中，278株分離株含有多個DGR，如產(chǎn)酸擬桿菌、解木聚糖擬桿菌等。另外，340株分離株中含有單個DGR，包括脆弱擬桿菌和腸道擬桿菌。
基于這些發(fā)現(xiàn)，作者指出，“擬桿菌屬中的DGR相對于大多數(shù)細(xì)菌分類群更加普遍且豐富”。
研究人員通過系統(tǒng)發(fā)育分析，將DGR歸入與其他逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子不同的單系群，并證實大多數(shù)DGR屬于預(yù)測的移動遺傳元件（MGE），來源于原噬菌體或整合性接合元件。
在后續(xù)分析中，研究團(tuán)隊重點分析了35組易受DGR靶向作用的蛋白編碼序列。其中包括胞質(zhì)激酶編碼基因、與病毒受體結(jié)合的蛋白質(zhì)，以及在細(xì)菌表面形成毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)的菌毛蛋白或菌毛樣蛋白。
“通過促使參與細(xì)胞黏附、信號傳導(dǎo)等功能的蛋白質(zhì)發(fā)生高變異，DGR有望在生態(tài)轉(zhuǎn)變和競爭性互作中促進(jìn)微生物適應(yīng)性，” 作者指出。
在小鼠模型上開展的實驗表明，當(dāng)微生物面臨競爭壓力時，DGR引入的隨機(jī)突變往往趨同，進(jìn)而產(chǎn)生相似的菌毛蛋白變化。
與此同時，當(dāng)研究人員利用144對母嬰樣本的宏基因組序列數(shù)據(jù)評估DGR傳播模式時，他們發(fā)現(xiàn)追蹤的2,740個DGR在順產(chǎn)后更容易發(fā)生母嬰傳播。
這些結(jié)果表明，遺傳性DGR可能對生命早期的微生物組發(fā)育產(chǎn)生重大影響。不過，作者仍謹(jǐn)慎指出：“目前尚無法確定DGR以何種速率影響發(fā)育中嬰兒的微生物組?！?/div>
“未來需要結(jié)合長讀長測序技術(shù)，對縱向獲取的母嬰樣本進(jìn)行深度測序，并結(jié)合Amplicon-Seq來深度表征多樣化可變區(qū)域，才能理解出生后的DGR動態(tài)變化，并鑒定受正向選擇影響的可變蛋白質(zhì)，” 他們解釋道。
參考資料
[1] Natural directed evolution in gut microbiota
