科研 | Cell Host & Microbe：人体肠道内的“适者生存”
编译：Blanche，编辑：小菌菌、江舜尧。
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人体肠道微生物群具有很大的进化和适应潜力。每天，数十亿个细菌会产生突变。在单个的微生物群落中，突变与人体内细菌长期的持久稳定有关。突变的频率与多种因素相关。然而，人体内部微生物是如何进化的，我们了解较少。现代适应性点突变的识别只在感染和实验室实验中被描述。定植在人类消化道中的微生物以有几十万年的历史。在一个相对不变的环境中经过长时间的进化之后，有益突变出现的概率较低。
论文ID
原名：Adaptive Evolution within Gut Microbiomes of Healthy People
译名：人体肠道内的“适者生存”
期刊：Cell Host & Microbe
IF：17.030
发表时间：2019
通讯作者：Tami D. Lieberman、Eric J. Alm
作者单位：麻省理工学院
实验设计
结果
1 脆弱拟杆菌在单一受试者中的定植
12个健康受试者，采集30份粪便样品，培养微生物，得到602株B. fragilis。受试者在初次取样或纵向取样前至少3个月没有服用抗生素。对30份粪便中培养的602株脆弱杆菌的基因组进行了测序。鉴定602个分离菌株之间的SNPs，建立系统发育树。结果显示，同一受试者的基因组相差不到100个SNPs，不同受试者中分离出的基因组差异超过10000个SNPs。说明不同的受试者菌株定植谱系有专一性。
2 跟踪2年内脆弱拟杆菌的多样性
为了确定每个人生命周期内菌株谱系的多样性，检测脆弱拟杆菌的基因组，确定多态性，并利用这些基因组图谱构建系统发育树。在同一个受试者中，脆弱拟杆菌的多样性能够稳定的延续。在一个L08的谱系中，我们发现了离群点，说明发生了突变，突变是由于DNA碱基GC转变为TA 导致的。
接下来我们对水平基因的转移进行了检测。DNA序列中移动元件的变化导致突变。我们推测出10个碱基增加，12个碱基缺失，17个不确定位点。在谱系中未发现同源重组的情况。使用扫描基因组的方法，对种内基因转移事件进行鉴定。为了系统地评估适应性突变是否是人内脆弱拟杆菌进化的一个重要驱动因素，寻找行平行进化的基因。寻找在至少在一个受体内积累的反复突变的基因。从12个谱系中鉴定出16个目标基因。并对编码基因的蛋白质进行了检测。发现这16个基因的非同义突变有显著的富集，表明它们具有适应性。我们没有发现其他的适应性进化的基因。因此，我们得出结论，这16个基因中的一部分或全部在这些受试者中经历了适应性进化。
我们发现了在多个受试者之间共享的受试者特定选择和选择力的证据。支持个体特异性选择的三个Sus基因（BF1802、BF1803和BF3581）在一个受试者体内均多次突变，而在其他受试者中均未发生突变（p<0.003）。相比之下，5个被选择的基因在多个受试者中发生突变，两个基因甚至在不同的受试者中获得相同氨基酸残基的突变（BF1708和BF2755；图4B）。我们将在下一节详细讨论其中一种突变。
4 该菌种在适应性定植期间，许多与多糖利用、荚膜合成途径相关的基因发生改变
平行进化揭示了脆弱拟杆菌在体内生存面临的挑战。这16个基因包括5个参与细胞包膜生物合成的基因，一个参与氨基酸代谢的脱水酶，以及4个生物学作用不清的基因。其余6个基因均编码外膜多糖SusC或SusD的同源物。一个典型的脆弱种谱系有75对不同的SusC/susd对及其主要底物被认为是复合多糖。
值得注意的是，其中一种SusC同源物（BF3581）已被证明对IgA介导的小鼠定植至关重要。该位点被指定为共生定殖因子（ccf），是全基因组定殖决定因子筛选中发现的最重要的位点。CCF位点的重要性与其调节荚膜多糖合成基因有关。因此，虽然改变Sus蛋白的突变可能反映了利用宿主或饮食来源多糖的压力，但对这些基因的选择也可能反映了直接或间接改变脆弱双歧杆菌细胞膜的压力。此外，Sus蛋白在外膜中的存在及其与细胞膜合成相关基因的共现（图4B）暗示，这些基因的选择可能受到逃避免疫系统或噬菌体捕食的压力的驱动。
5 进化的动力、亚系的稳定性、不同人群中基因突变发生率的差异
跟踪SNPs，揭示其与进化之间的关系。为了更好地了解人类内部的进化动力学，我们利用了来自受试者01和03的密集采样的亚基因组时间序列。通过追踪丰富的SNP，每个谱系的进化动力学，其进化关系先前是通过离散的基因组来确定的。我们推断了亚线性的种群动态，定义为带有连锁SNP的分支（STAR方法）。这些密集采样的时间序列使我们能够跟踪从头开始的SNP的动态，并评估在这些突变上的选择强度在L01与L03中，我们发现了SNPs的稳定增加，单个人体中同时存在由同一脆弱拟杆菌分化形成的多个菌株，该菌种在定植期间不断积累突变，特定菌株可能发生漂变而从宿主内消失。脆弱拟杆菌的基因突变存在人群差异，BF2755基因位点的Q100P突变发生率在西方人中远高于中国人。
最后，我们进一步研究了一种氨基酸变化，这种变化在受试者中的发生率很高。突变等位基因在三个受试者中出现了四次独立的时间，并在所有L12分离株中发现（BF2755的Q100P突变，谷氨酰胺转脯氨酸）。BF2755的功能尚不清楚，但预计其结构类似于β-内酰胺酶抑制剂。这种突变的高发生率为研究提供了机会。我们利用了四个可获得的深度测序的亚基因组数据集：两个来自中国，一个来自美国，一个来自英国。
这项研究仅限于一个物种，我们希望能够对多种共生生物进行类似的研究。还需要进一步的研究来确定快速适应是脆弱双歧杆菌特有的，还是肠道共生菌的共同特征。最近的一项研究利用宏基因组学跟踪物种间微生物群的进化，为我们提供了证据，说明其具有普遍性。这项研究发现，人类种群中低频率的平均单核苷酸变异具有dN/dS值，这与中性或适应性一致，暗示了适应性进化的微生物群特征。相比之下，对一个人体内微生物群进化中大肠杆菌的调查只发现了中性多样性的特征。虽然对大肠杆菌的这一发现与我们的研究结果之间的差异有很多可能的解释，但我们推测，基因漂移对大肠杆菌的作用更大，因为大肠杆菌在微生物群中的种群规模较小。未来的研究可能会确定分类群、细菌生活史、人类疾病状态或其他决定人类内共生进化动态的特征。
结论
自然选择影响细菌进化。然而，共生细菌在人体肠道中的多样化和适应程度仍不清楚。本文基于培养法的基因组学和元组学相结合，研究脆弱拟杆菌的微生物进化。发现脆弱拟杆菌中含有大量菌种的核酸位点、可移动基因元件种类具有多样性。该菌种在适应性定植期间，许多与多糖利用、荚膜合成途径相关的基因发生改变。脆弱拟杆菌分化形成的多个菌株，该菌种在定植期间不断积累突变，可能发菌种生漂变而从宿主内消失。脆弱拟杆菌的基因突变存在人群差异，BF2755基因位点的Q100P突变发生率在西方人中远高于中国人。总的来说，这些结果表明，脆弱杆菌在单个微生物群落中的进化，指出了促进长期肠道定植的因素。
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