质粒通常被定义为从宿主染色体自主复制的染色体外元件，除了作为分子生物学的主力之外，质粒还因其加速微生物进化和通过提供抗生素耐药性、重金属耐药性、毒力因子或代谢功能等特性来增强宿主的适应性而得到了广泛的研究。
然而，在质粒中存在着一类特殊的群体——隐秘质粒，即缺乏感兴趣的遗传功能，也不包含对宿主编码明显有益功能的基因。近期，一项发表在Cell（IF=64.5）上的研究“A cryptic plasmid is among the most numerous genetic elements in the human gut”，基于宏基因组和其他实验手段，深入分析了一种隐秘质粒pBI143在人类肠道中的分布概况以及相关特征。
主要结果
1、pBI143普遍存在于工业化的人类肠道微生物群中
pBI143是一种长度为2747bp的环状质粒，仅包含两个基因：mobA和repA。该质粒最早在1985年的Bacteroides fragilis中发现。为了全面评估pBI143的多样性，研究选取了2137个人类肠道宏基因组进行分析，发现了三种pBI143-like序列。随后，本研究对来自23个国家的4516个公开的肠道宏基因组进行了宏基因组reads募集调查。分析结果显示，其中73%的宏基因组数据存在pBI143。在工业化人群的肠道微生物中，pBI143质粒序列分布广泛。此外，pBI143在工业化人类群体中的分布并不均匀，不同的pBI143版本在不同的地理区域中所占比例也有所不同。这些数据表明，pBI143是全球工业化人群肠道微生物群中分布最广泛、数量众多的遗传元件之一。
2、pBI143的宿主范围
为了研究pBI143的宿主范围，本研究收集了717株人类肠道分离菌株（包括54个属和104个种）。其中82株分离菌株（来自11个种，包括Bacteroides、Phocaeicola和Parabacteroides等3个属）携带pBI143质粒。许多不同物种的分离株都携带pBI143，且有些来自同一宿主，表明pBI143可以在不同物种间传播。
为了全面了解pBI143的宿主范围，研究进一步从88个不同环境中检索了超过10万个宏基因组中的pBI143。这些宏基因组reads的结果显示，pBI143主要存在于人类肠道中，几乎在人体肠道外部位检测不到，仅在受人类影响的环境如污水和医院表面中略有存在。总的来说，这些数据表明pBI143在人类肠道环境中特异性生长，可以作为检测人类粪便污染的敏感生物标志物。
3、pBI143在污水和人类肠道中的突变
为探究pBI143变异情况，本研究分析了Version 1中与mobA相匹配的宏基因组reads，通过SNVs了解pBI143在自然生境中的群体遗传学。研究发现，绝大多数SNVs与3个质粒版本中至少一对不同的核苷酸位置相匹配。跨宏基因组的pBI143变异主要定位在version 1、2和3的代表序列之间不同的核苷酸位置。这意味着我们的肠道宏基因组集合中捕获了大多数允许的pBI143变异。总结，pBI143在自然环境中存在广泛变异。
4、pBI143的垂直传播性
pBI143的单克隆性引发生态学问题，个体如何获得及维持单克隆性？研究发现，可能由低暴露频率、细菌宿主特异性和优先效应解释。pBI143在工业化人群中广泛流行的事实排除了低暴露频率假说。研究分析了82个来自10个供体的细菌培养物，pBI143对个体特异性较强。相同的pBI143序列出现在同一供体的不同分类单元中，与pBI143在肠道宏基因组中的单克隆性及其在拟杆菌目中的传播能力一致。研究还发现pBI143很可能通过母婴垂直传播获取，并且进入婴儿肠道后首个版本在一定程度上保持稳定。然而，在观察期内没有完全替换母体源的pBI143，虽然大部分婴儿保持母亲来源的基因型，但也观察到罕见情况，如母亲具有两个版本的pBI143，并同时传给婴儿，以及pBI143转移后未被替换或维持至采样结束。上述结果表明，pBI143是通过母婴垂直传递，并且优先效应可能是维持pBI143单克隆群体占据主导地位的主要驱动力。
5、pBI143是一种高效的寄生质粒
为了探究pBI143是有利的还是寄生的，本研究构建了携带和不携带pBI143Version 1质粒的B. fragilis638R和B. fragilis9343菌株。实验分析结果指出天然pBI143在受控环境下对细胞轻微有害，通过感染转移在自然种群中维持自己，也能够获得额外的基因到其主干中，这可能为宿主细胞提供好处。
综上，该研究揭示了肠道微生态中的隐秘质粒pBI143，强调了对可移动遗传元件的关注以填补对肠道微生态和进化理解中的空白。
凌恩专注于高品质细菌完成图项目，可实现多质粒细菌的质粒基因组研究，凌恩生物推出细菌完成图急速周期活动，结合长读长测序，打造高品质质粒基因组，助力您的科研之路！
参考文献
A cryptic plasmid is among the most numerous genetic elements in the human gut. Cell, 2024.