2024年09月17日，魏茨曼科学研究所计算机科学与应用数学系Eran Segal Eran Segal教授团队在《Cell Host & Microbe》发表研究型文章“”（Q1, IF=20.6），为 728 种人类肠道原核物种创建了泛基因组，将菌株特异性基因组的基因增加了四倍。
背景介绍
在这个微生物群落中，“物种”被定义为形成连贯基因组簇的一组生物。一个被广泛认可的原核生物物种描述标准是95%的平均核苷酸同一性（ANI）。尽管遗传相一致，但在同一物种的菌株之间可以看到广泛的表型变异性。该主题在致病性背景下研究得特别好，其中可以找到同一物种的共生菌株和致病菌株。植根于文化依赖性分析的传统“菌株”概念不能直接转移到现代独立于文化的方法中，并且广泛接受的具有生物学意义的菌株定义仍然难以捉摸。在这项工作中，菌株是指来自特定人类的组装基因组。“亚种”被定义为一个物种内遗传或表型不同的菌株簇，可以阐明物种对其环境的进化适应性，并解释与宿主的异质相互作用。
微生物物种内的遗传多样性源于突变、水平基因转移（HGT）、自然选择和遗传漂变的持续相互作用。突变（替换、插入、缺失和倒位）通过DNA损伤或复制、重组和修复过程中的错误引入遗传变化。HGT（通过转化、转导和偶联机制）允许快速获取和传播遗传物质，从而显著改变基因组结构。HGT 既可以发生在物种内，也可发生在物种间。然而，由于转移基因成功整合和表达的可能性更高，因此通常在物种或密切相关的物种中更常见。 这些遗传变异的后续命运是由自然选择决定的，一方面有利于增强适应性的性状，另一方面有利于随机改变性状频率的遗传漂变。
泛基因组是在给定物种的所有菌株中观察到的基因集合。泛基因组具有改进微生物群研究的潜力，特别是与基于基因组参考的分析相比，后者本质上受到单个菌株基因组内容的限制。以前的工作，如Pasolli等人， 为人类相关物种创建了泛基因组，并利用它们来估计物种（MetaPhlAn 8）和基因（HUMAnN 9）的丰度。Almeida等人专注于人类肠道相关物种以探索其功能潜力。
报告亮点
图文赏析
图2 物种有一组定义它们的 1000 个基因的核心集，以及一组不同菌株独有的附属基因
图3 核心基因即使在小样本量中也是保守的，并且在密切相关的物种中显著减少
图4 高菌株变异性与孢子形成相关，而低菌株变异性与抗生素耐药性相关
图5 α 237 例极端抗生素耐药性病例，主要是肠杆菌科
图 6 嗜粘蛋白阿克曼菌菌株与宿主年龄和性别的关系
总结与意义
这项研究使用241,118个基因组组装11为728种人类肠道原核物种创建了泛基因组。通过利用以前泛基因组研究中未包含的 51,052 个粪便宏基因组样本，提供了描述人类肠道微生物群内遗传多样性的扩展资源。提供了对塑造微生物群的进化动力学的见解，有助于阐明它们对宿主健康和疾病的影响。此外还绘制了人类肠道内抗生素耐药组的景观，因为在这种环境中共生的物种通常在其他地方具有致病性。预计这些知识可能有助于应对这一日益增长的全球担忧。
通讯作者
Eran Segal Eran Segal ，魏茨曼科学研究所计算机科学与应用数学系教授。研究重点是营养学、遗传学、微生物组和基因调控及其对健康和疾病的影响。研究目标是开发个性化营养和个性化医疗。
