研究人员在人类肠道中发现了可以作为敏感生物标志物的神秘遗传元件

德国一项新研究的重点是迄今为止很少被研究的人类肠道菌群的一个组成部分。 质粒是小的染色体外遗传元件，经常出现在细菌细胞中，可以影响微生物的生活方式，但人们对它们在自然栖息地中的多样性知之甚少。

由奥尔登堡大学亥姆霍兹功能海洋生物多样性研究所 (HIFMB) 的 A. Murat Eren 教授领导的国际团队 报告 在《细胞》杂志上，一种神秘的质粒是人类肠道中数量最多的遗传元件之一。

该质粒有可能作为强大的生物标志物，用于识别健康危害，例如水的粪便污染或炎症性肠病等人类疾病。 根据研究小组的分析，这种质粒存在于工业化国家90%以上的人的肠道中。

质粒是生命各领域细胞所共有的染色体外 DNA 序列。 艾伦将它们描述为“典型的携带额外基因的小型遗传实体”。 它们可以在不同的细菌细胞之间甚至不同类型的细菌之间交换。 质粒的复制依赖于它们的宿主细胞，但它们通过在某些情况下为宿主提供极其重要的适应性决定因素来弥补这一点。

例如，一些质粒含有编码抗生素抗性的基因，这有助于细菌宿主在抗生素中生存，从而导致全球最紧迫的公共卫生问题之一。

根据迄今为止的研究，还有其他质粒不包含编码对其宿主有明显有益功能的基因。 “这些所谓的‘神秘质粒’通常被称为遗传寄生虫。它们在微生物生态学中仍然是一个谜，因为从进化的角度来看它们根本不应该存在，”计算机科学家兼生态系统数据科学教授埃伦解释道。奥尔登堡大学。

迄今为止，鉴定质粒一直是一项艰巨的任务。 一段时间以来，科学家们已经能够直接从环境样本中提取遗传物质，例如，完整地分析人类肠道中的微生物群落，而无需培养单个细菌生物体。 然而，在被称为宏基因组的遗传物质聚集体中自信地区分质粒的能力提出了相当大的挑战。

在《细胞》杂志上发表的研究中，研究小组仔细研究了这种质粒，它仅由两个基因组成，令人惊讶的是，它们仅用于自身复制和跨细菌细胞的动员，没有其他明显的好处。 为了更好地了解 pBI143 的生态学，该团队分析了从不同栖息地生成的 60,000 个人类宏基因组和 40,000 个环境宏基因组。

进一步的分析表明，该质粒几乎只存在于人类肠道中，但在海洋、土壤、植物、动物消化器官及其粪便等其他环境的数据集中几乎不存在。 研究人员能够检测到这些质粒特征基因序列的唯一其他样本是来自受人类影响的环境的样本，例如废水、医院表面和实验室老鼠。

由于其数量庞大、在人类中普遍存在以及在人群中的保守性，研究人员团队假设 pBI143 可以用作检测粪便污染的生物标志物。 “事实上，我们能够证明，与基于人类肠道细菌特定基因序列的最先进的生物标记物相比，该质粒是检测饮用水中粪便污染的更灵敏的标记物，”埃伦说。

研究小组还发现了这种普遍存在的遗传实体在炎症性肠病 (IBD) 等人类疾病中的另一个潜在应用，这种疾病仅在欧洲就影响了 300 万人。 他们能够证明，与健康个体的肠道相比，这种神秘质粒的相对拷贝数在 IBD 患者的肠道中增加了近四倍，这表明质粒拷贝数的变化可以作为非- 量化疾病进展或严重程度的侵入性方法。

在 HIFMB，Eren 的团队正在开发计算机科学和微生物学交叉领域的新工具，以识别和表征海洋细菌中自然存在的质粒和其他移动遗传元件。 他们努力更好地了解微生物的生态和进化，以及使它们能够应对不断变化的环境的策略，以实现新的生物技术应用，从而缓解我们面临的危机。