摘要：研究人员深入探究了特定逆转录元件在促进肠道微生物组的遗传多样性、蛋白质进化及适应性方面的作用。
胃肠道中栖息着数万亿个微生物，它们构成了一个动态而复杂的生态系统，与人类健康和疾病息息相关。
近日，加州大学洛杉矶分校等机构的研究人员深入探究了特定逆转录元件在促进肠道微生物组的遗传多样性、蛋白质进化及适应性方面的作用。
这项成果于10月9日发表在《Science》杂志上。“我们的观察结果为理解基因组可塑性在塑造宿主相关微生物群落中的潜在作用打下了基础，” 作者在文中写道。
为了阐明肠道微生物组中的蛋白质多样性和进化机制，研究人员首先整合了拟杆菌属中1,103个代表菌株的参考基因组序列。
图1 肠道微生物群中的自然定向进化
在此基础上，他们对基因组特定区域的腺嘌呤碱基进行定向诱变，以搜索能影响基因组多样性和蛋白质功能进化的多样性生成逆转录元件（DGR）。
研究人员从618株细菌分离株中鉴定出1,113个DGR。其中，278株分离株含有多个DGR，如产酸拟杆菌、解木聚糖拟杆菌等。另外，340株分离株中含有单个DGR，包括脆弱拟杆菌和肠道拟杆菌。
基于这些发现，作者指出，“拟杆菌属中的DGR相对于大多数细菌分类群更加普遍且丰富”。
研究人员通过系统发育分析，将DGR归入与其他逆转录转座子不同的单系群，并证实大多数DGR属于预测的移动遗传元件（MGE），来源于原噬菌体或整合性接合元件。
在后续分析中，研究团队重点分析了35组易受DGR靶向作用的蛋白编码序列。其中包括胞质激酶编码基因、与病毒受体结合的蛋白质，以及在细菌表面形成毛发状结构的菌毛蛋白或菌毛样蛋白。
“通过促使参与细胞黏附、信号传导等功能的蛋白质发生高变异，DGR有望在生态转变和竞争性互作中促进微生物适应性，” 作者指出。
在小鼠模型上开展的实验表明，当微生物面临竞争压力时，DGR引入的随机突变往往趋同，进而产生相似的菌毛蛋白变化。
与此同时，当研究人员利用144对母婴样本的宏基因组序列数据评估DGR传播模式时，他们发现追踪的2,740个DGR在顺产后更容易发生母婴传播。
这些结果表明，遗传性DGR可能对生命早期的微生物组发育产生重大影响。不过，作者仍谨慎指出：“目前尚无法确定DGR以何种速率影响发育中婴儿的微生物组。”
“未来需要结合长读长测序技术，对纵向获取的母婴样本进行深度测序，并结合Amplicon-Seq来深度表征多样化可变区域，才能理解出生后的DGR动态变化，并鉴定受正向选择影响的可变蛋白质，” 他们解释道。
参考资料
[1] Natural directed evolution in gut microbiota
摘要：研究人员深入探究了特定逆转录元件在促进肠道微生物组的遗传多样性、蛋白质进化及适应性方面的作用。
胃肠道中栖息着数万亿个微生物，它们构成了一个动态而复杂的生态系统，与人类健康和疾病息息相关。
近日，加州大学洛杉矶分校等机构的研究人员深入探究了特定逆转录元件在促进肠道微生物组的遗传多样性、蛋白质进化及适应性方面的作用。
这项成果于10月9日发表在《Science》杂志上。“我们的观察结果为理解基因组可塑性在塑造宿主相关微生物群落中的潜在作用打下了基础，” 作者在文中写道。
为了阐明肠道微生物组中的蛋白质多样性和进化机制，研究人员首先整合了拟杆菌属中1,103个代表菌株的参考基因组序列。
图1 肠道微生物群中的自然定向进化
在此基础上，他们对基因组特定区域的腺嘌呤碱基进行定向诱变，以搜索能影响基因组多样性和蛋白质功能进化的多样性生成逆转录元件（DGR）。
研究人员从618株细菌分离株中鉴定出1,113个DGR。其中，278株分离株含有多个DGR，如产酸拟杆菌、解木聚糖拟杆菌等。另外，340株分离株中含有单个DGR，包括脆弱拟杆菌和肠道拟杆菌。
基于这些发现，作者指出，“拟杆菌属中的DGR相对于大多数细菌分类群更加普遍且丰富”。
研究人员通过系统发育分析，将DGR归入与其他逆转录转座子不同的单系群，并证实大多数DGR属于预测的移动遗传元件（MGE），来源于原噬菌体或整合性接合元件。
在后续分析中，研究团队重点分析了35组易受DGR靶向作用的蛋白编码序列。其中包括胞质激酶编码基因、与病毒受体结合的蛋白质，以及在细菌表面形成毛发状结构的菌毛蛋白或菌毛样蛋白。
“通过促使参与细胞黏附、信号传导等功能的蛋白质发生高变异，DGR有望在生态转变和竞争性互作中促进微生物适应性，” 作者指出。
在小鼠模型上开展的实验表明，当微生物面临竞争压力时，DGR引入的随机突变往往趋同，进而产生相似的菌毛蛋白变化。
与此同时，当研究人员利用144对母婴样本的宏基因组序列数据评估DGR传播模式时，他们发现追踪的2,740个DGR在顺产后更容易发生母婴传播。
这些结果表明，遗传性DGR可能对生命早期的微生物组发育产生重大影响。不过，作者仍谨慎指出：“目前尚无法确定DGR以何种速率影响发育中婴儿的微生物组。”
“未来需要结合长读长测序技术，对纵向获取的母婴样本进行深度测序，并结合Amplicon-Seq来深度表征多样化可变区域，才能理解出生后的DGR动态变化，并鉴定受正向选择影响的可变蛋白质，” 他们解释道。
参考资料
[1] Natural directed evolution in gut microbiota
