Cell：揭开人类肠道中数量最多遗传元件——隐秘质粒pBI143

近日，芝加哥大学的研究人员在 Cell 期刊发表了题为：A cryptic plasmid is among the most numerous genetic elements in the human gut 的研究论文。

该研究发现了一种名为pBI143的隐秘质粒，它普遍存在于人类肠道微生物群中，其数量是之前被确定为人类肠道中最丰富的染色体外遗传元件crAssphage（一种噬菌体）的14倍！在大多数人中，pBI143表现为单一克隆特征，通常从母亲那里获得。

质粒（plasmid）是一种广泛存在于生物界的染色体外遗传元件，细菌、真菌、酵母、植物，甚至人类，都含有这种能够自我复制的双链环形DNA分子。在微生物中，质粒携带的遗传信息能赋予宿主菌某些生物学性状，例如抗生素抗性、重金属抗性、毒力因子或代谢功能等特性，有利于宿主菌在特定的环境条件下生存。

然而，在此之外还存在着一类隐秘质粒（或称为隐性质粒），它们不编码对其宿主明显有益功能的基因，似乎只是存在于那里。这些隐性质粒通常很小且多拷贝，并且十分难以研究，因为它们缺乏任何可测量的表型或可选择的标记。

令人意外的是，虽然隐性质粒看起来很鸡肋，但它们却存在于广泛的、不同环境的微生物中。由于隐性质粒对宿主没有明显的好处，而且还需要耗费能量和资源维持它们，因此它们通常被比喻为“遗传寄生虫”。

在这项发表于 Cell 的研究中，研究团队通过霰弹枪宏基因组学和全新质粒预测算法对来自人类肠道的68000多个质粒进行了表征，并在不同地理、不同种族的人群中发现了一种最普遍存在的隐性质粒——pBI143。

接下来，研究团队通过组学研究和实验方法对这种隐性质粒进行了深入表征，以研究其遗传多样性、宿主范围、传播途径、对细菌宿主的影响，以及与人类健康和疾病状态的关系。

研究结果揭示了pBI143在人类肠道中取得了惊人的成功。在工业化国家中（例如中国、美国、英国等），研究团队能够在高达92%的个体中检测到pBI143，其拷贝数至少比人类肠道中最丰富的染色体外遗传元件crAssphage平均高出14倍！

pBI143在全球分布的人群中的流行率和丰度

进一步研究显示，pBI143的大多数突变积累在数千个宏基因组的特定位置，表明有很强的纯化选择。pBI143在大多数个体中是单克隆的，这可能是由于最初获得的pBI143克隆具有复制优先效应，这一最初版本通常来自母亲。

此外，pBI143可以在拟杆菌门之间进行水平转移，通过感染转移在自然种群中维持自身。适应性测量实验显示，pBI143在受控环境下对宿主菌轻度有害，但pBI143能够整合外源基因到自身，这可能为宿主细胞提供益处。

在压力环境中，pBI143拷贝数增加

研究团队还证明了pBI143作为一种具有成本效益的生物标志物的实际应用潜力。首先，由于宿主特异性，pBI143是一种极其敏感和特异性的人类粪便污染标记物，因此可以作为一种量化环境样本中人类粪便污染水平的灵敏检测手段。其次，pBI143可以作为干预肠道微生物的天然遗传载体，例如递送治疗性基因药物。再次，pBI143可以响应环境压力，其在炎症性肠病（IBD）患者中拷贝数增加，因此它可以作为评估人类肠道中的压力水平的生物标记物。

研究模式图