研究揭示具有生物标志物潜力的人类肠道质粒
迄今为止，人类肠道菌群的一个组成部分很少被研究，这是一项新研究的重点。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，但它们在自然栖息地中的多样性却知之甚少。由奥尔登堡大学（HIFMB）亥姆霍兹功能性海洋生物多样性研究所的A. Murat Eren教授领导的一个国际团队在科学杂志《细胞》上报告说，细胞是一种神秘的质粒，是人类肠道中数量最多的遗传元素之一，有可能作为一种强大的生物标志物，用于识别健康危害，如粪便污染水或人类疾病，如炎症性肠病。根据该团队的分析，这种质粒存在于工业化国家90%以上的个体的肠道中。
质粒是染色体外的DNA序列，是所有生命领域细胞所共有的。艾伦将它们描述为“携带额外基因的典型小遗传实体”。它们可以在不同的细菌细胞之间交换，甚至可以在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耐药性的基因，这些基因有助于其细菌宿主在抗生素中存活，这是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，“奥尔登堡大学计算机科学家兼生态系统数据科学教授艾伦解释说。
到目前为止，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，分析整个人类肠道中的微生物群落，而无需培养单个细菌生物。然而，在这种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带来了相当大的挑战。
为了解决这个问题，艾伦和他的同事们开发了一种新的机器学习方法。正如该团队在最近发表在科学杂志《自然微生物学》上的一篇文章中所报道的那样，使用这种方法，他们在人类肠道菌群中鉴定了超过68,000个质粒，并且还发现一种名为pBI143的神秘质粒在他们的数据集中特别丰富。
人类肠道中数量最多的遗传实体之一
在发表在《细胞》杂志上的研究中，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，这些基因仅用于在细菌细胞中的复制和动员，而没有其他明显的好处。为了更好地了解pBI143的生态学，该团队分析了来自不同栖息地的60,000个人类宏基因组和40,000个环境宏基因组。
“我们发现pBI143具有一系列非常有趣的功能，”Eren解释道。研究小组发现，在工业化国家，超过90%的人携带质粒，平均而言，它是人类肠道中数量最多的遗传实体之一。“平均而言，它的数量是病毒基因组的十倍以上，病毒基因组以前被认为是人类肠道中最丰富的遗传染色体外元素，”研究人员说。
进一步的分析表明，质粒几乎只存在于人类肠道中，但在海洋、土壤、植物和动物的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，医院表面和实验室大鼠。
由于其数量之多，在人类中的流行性以及其在人群中的保守性，研究小组假设pBI143可以用作测试粪便污染的生物标志物。
量化IBD进展的非侵入性方法
该团队还确定了这种普遍存在的遗传实体在人类疾病（如炎症性肠病（IBD））方面的另一种潜在应用，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，这种神秘质粒在IBD患者肠道中的相对拷贝数增加了近四倍，这表明质粒拷贝数的变化可以作为一种非侵入性方法来量化疾病进展或严重程度。
