您现在的位置是:首页 >新闻频道新闻 2019-11-14 10:16:49

人类微生物组遗传多样性与可观测宇宙中的恒星数量相当

对人体肠道和口腔微生物组中微生物基因的分析得出的结果表明,集体微生物组可能包含的基因数量多于可观察到的宇宙中的恒星。美国和加拿大的科学家已经生成了目录和可搜索的网络资源,其中详细介绍了通过对数千个人类样品的初扫分析而鉴定出的数千万个微生物基因。他们的发现发表在《细胞宿主与微生物》(Cell Host&Microbe)上,表明口腔和肠道微生物群构成了“交错的”微生物遗传多样性,并且发现,鉴定出的所有基因中至少有一半是个体独有的。

哈佛医学院领导的这项研究仅是分析整个人类微生物组中所含基因的努力的开始。他们的结果表明,每个个体至少有一半的基因是独特的,并且表观多样性超出了研究人员的期望。哈佛医学院的研究生布雷登·蒂尔尼说:“我们的研究是一项门户研究,这是迈向了解基因含量差异如何驱动微生物行为和改变疾病风险的漫长旅程的第一步。” 蒂尔尼(Tierney)是研究人员发表论文的第一作者,该论文的标题为“ 肠道和口腔人类微生物组中遗传含量的状况”。

研究表明,人类肠道微生物组可能包含多达15万种不同的微生物菌株,而且即使微生物组组成的微小变化也会影响人类健康和疾病。但是,正如作者指出的那样,“该领域仍然无法掌握微生物组的遗传含量范围(包括肠道和其他方面),这对于理解疾病背景下的微生物功能至关重要。”

哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所(Blavatnik Institute)的生物医学信息学助理教授奇拉格·帕特尔(Chirag Patel)博士建议说,即使同一菌株的微生物也会携带不同的基因。就像没有两个兄弟姐妹在遗传上是相同的一样,也没有两个细菌菌株在遗传上是相同的。同一细菌菌株的两个成员可能具有明显不同的遗传组成,因此仅有关细菌物种的信息就可以掩盖由遗传变异引起的关键差异。”

研究高级合著者,哈佛医学院微生物学助理教授,乔斯林糖尿病中心的研究人员亚历克斯·科斯蒂克(Alex Kostic)补充说,建立微生物基因完整景观目录可以帮助指导精确治疗的设计和开发。“这种针对性很窄的疗法将基于人独特的微生物遗传组成,而不是仅基于细菌类型。”

科学家只能估计每个细菌物种中遗传元件的总数,理论上的近似值可能是保守的十亿个基因。研究人员指出:“在人类肠道微生物组中,主要测序联盟已使用从头方法鉴定出多达1000万个非冗余基因。” 然而,他们继续说,先前的测序工作几乎完全集中在肠道微生物组上,样本数量相对有限,并且没有关注整个人群中基因的整体稀有性。

对于所报告的研究,哈佛医学院团队与乔斯林糖尿病中心的研究人员合作;安大略省滑铁卢大学;艾伯塔大学,埃德蒙顿;加州大学伯克利分校收集了有关人类口腔和肠道微生物组的所有公开可用的DNA测序数据。他们总共评估了大约3500个人类微生物组样本的DNA,其中从人的口腔中获得了1400多个,从肠道中获得了约2100。

他们的分析共鉴定了近4,600万个基因。他们指出:“我们在数据集中发现了惊人的遗传异质性,共鉴定出45,666,334个非冗余基因(23,961,508个口服和22,254,436个肠道)。” 仅在一个样本中发现了一半以上的基因,因此对于该个体而言是独特的。研究人员称这些基因为“单核”。“口腔基因目录包含11,891,670(49.6%)个单身和12,069,838(50.4%)个非单子,而肠道基因目录包含12,621,933(56.7%)个单身和9,632,503(43.2%)个非单子。平均而言,每个样本中有2.9%的基因是单基因。”

有趣的是,共有的基因倾向于参与微生物的日常功能,例如酶的使用,能量的转化和代谢。相比之下,单例基因通常涉及更专门的功能。研究人员说:“与非单子相比,单子基因在各种不相关的代谢功能中的功能得到了丰富,而非单子的基因则在更为保守的细菌过程中得到了丰富。” 但是,由单例编码的函数不是无关紧要的。我们确定了许多可能影响微生物组结构和宿主健康的途径(例如,抗生素抗性和细胞壁生物合成)。”

他们推测单基因可能会出现,以帮助生物体适应新的或不断变化的环境压力。“……鉴于单例基因内编码的功能多样性,我们建议单例在微生物组内形成一种进化器官,微生物可以利用这一器官轻松适应环境条件。”

蒂尔尼说:“其中一些独特的基因对于解决进化难题似乎很重要。” “如果微生物由于暴露于药物而需要对抗生素产生抗药性或突然面临新的选择压力,那么单例基因可能是微生物可以适应的遗传多样性的源泉。”

作者提出了两种可能的机制,通过这些机制可能会出现这些独特的单例基因:通过水平基因转移(细菌与邻居交换遗传物质的能力),或者来自极其罕见的微生物物种或菌株。基因作图分析的结果表明,水平基因转移不太可能解释这种遗传多样性。实际上,在口腔样本中检测到的独特基因中只有不到1%,而肠道中仅有不到2%的独特基因似乎是通过水平基因转移而产生的。相反,研究人员建议,微生物的遗传多样性可能是由细菌响应环境变化(例如宿主的饮食,药物,生理变化或疾病以及宿主基因表达的改变)迅速进化其DNA的能力所驱动。

他们指出,通过他们的研究生成的基因目录可能分别仅代表肠道和口腔微生物组总潜在遗传多样性的8–72%和4–50%。他们指出:“这项分析揭示了大规模的原核基因世界。”他进一步评论说,人类微生物组的景观是“巨大的”,并且在人与人之间显示出“惊人的”多样性。

研究人员正在通过可从https://microbial-genes.bio访问的资源提供其基因目录。他们写道:“我们希望科学界能够利用此处提供的资源来加深该领域对分类学与微生物遗传变异之间关系的理解。”

关于人类集体微生物组中有多少个基因,一种计算得出的数字约为2.32亿,而另一种计算得出的数字与宇宙中的原子数相当。Patel建议,也许最重要的是实际数字可能是我们无法找到的。“无论是什么,我们希望我们的目录以及可搜索的网络应用程序将在宿主-微生物关系领域中有许多实际用途,并为许多研究方向提供种子。”

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