《HAL》人类肠道微生物群的紫菜多糖降解系统在亚洲人群中是完整的，遗传多样性的和地理结构性的
文摘
科学
2024-11-14 16:17
江苏
2023年10月，来自Grenoble Alpes Université的Sophie Mathieu等人在HAL上发表了一篇题为The porphyran degradation system of the human gut microbiota is complete, phylogenetically diverse and geographically structured across Asian populations的研究性论文。
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通讯单位：CERMAV, CNRS and Grenoble Alpes Université, BP53, 38000 Grenoble Cedex 9, France
Abstract
人类肠道微生物群可以通过整合来自与食物相关的细菌的遗传物质来获得新的分解代谢功能。最具说明性的例子是，亚洲人群的肠道微生物群从生活在饮食中添加的藻类表面的海洋细菌中获得基因。为了探究利用位点（PUL）获取藻多糖的速度及其在种群内的扩散速率，我们研究了用于制作寿司的Porphyra sp.的主要多糖紫菜多糖（porphyran）降解的PUL。我们证明了甲基化和未甲基化的部分都是在没有外部酶的帮助下分解代谢的。在一些拟杆菌门菌株中，PUL组织是保守的，突出了微生物群内部的横向转移，但我们指出了各种保守的突变、缺失和插入。变异的地理分布表明，特定的突变和重组事件在地理上遥远的群体中独立出现。
饮食对人类肠道细菌群落的多样性和组成的影响现在已经有了很好的记录。例如，几项研究强调，与狩猎采集者或食物更多样化的人群相比，饮食西化的人群的细菌多样性较低。相反，观察到肠道微生物群能够适应并能够获得新的功能能力也很有趣，特别是通过微生物群菌株之间的遗传物质横向转移，也可以通过与宿主摄入的食物相关的菌株进行转移。在分子水平上，食物如何参与塑造人类肠道微生物群的最具说明意义的例子之一，是发现了编码酶的基因的横向转移，这些酶参与了紫菜多糖的降解，紫菜多糖是用于制作寿司的红藻紫菜多糖的细胞壁多糖，从生活在藻类表面的海洋菌株到在日本肠道微生物群中发现的肠道细菌。自这一发现以来，其他可能通过海洋生物的横向转移获得的藻类多糖降解系统（如琼脂糖、褐藻胶、卡拉胶）也得到了研究。紫菜多糖是一种琼脂型多糖，由两种二糖重复组成：琼脂二糖和紫菜多糖二糖，其中64%由甲基修饰（图1A）。B. plebieus中，编码用于降解紫菜多糖的酶的基因在所谓的“多糖利用基因座”（PUL）中共定位和共调节。对PUL (即糖苷水解酶和硫酸酯酶)的许多酶进行了表征，解释了B. plebieus对琼脂糖组分和紫菜多糖非甲基化组分的降解过程（图1B），参与甲基化紫菜多糖片段降解的酶仍有待发现。![]()
图1. A)porphyran重复单元的化学结构。硫酸化二糖-D-卟啉二糖-L-可以在D-半乳糖的6位上呈现甲基，分别为甲基化和非甲基化的卟啉组分。琼脂二糖单元是在生物合成过程中通过L-半乳糖残基的脱硫基/环化得到的，并进行相应的甲基化。B) B. plebieus卟啉PUL的组织。根据先前的转录组分析，PUL被分为三个片段( Pul-PorA、-PorB、-PorC)。
紫菜叶子由于其味道和营养价值，现在主要被亚洲人食用，但人类收获和储存紫菜的最古老证据是在蒙特佛得岛（智利）的考古遗址发现的，那里的人口在12300年前就已经居住了。民族植物学家也记录了最早居住在北美太平洋沿岸的民族对紫菜的传统使用。在南美洲，前印加和印加人也将红藻纳入他们的饮食中。在太平洋沿岸保存了数千年的紫菜属植物的非常古老的技术和使用表明，在古代人类群体中可能发生了几次遗传物质的横向转移事件，这些遗传物质专门用于从海洋细菌到肠道细菌的紫菜多糖降解。人类肠道中藻类降解系统的起源和这些转移的时间尚待估计。在当代人类的肠道中是否仍然保存着祖先藻类的痕迹？目前在亚洲人群中观察到的横向转移是多久以前的事？我们观察到，致力于降解紫菜多糖编码酶的B. plebeius PUL具有比先前报道的更大的特异性谱，并且可以显著地处理紫菜多糖的甲基化部分。新酶的发现可以在活性位点容纳紫菜多糖底物的甲基，这表明紫菜多糖的所有组分（如琼脂糖、甲基化和非甲基化紫菜多糖组分）都可以通过PUL编码的酶自主地完成降解。此外，我们发现这种自给自足的PUL不仅存在于一种肠道细菌菌株中，而且存在于许多肠道细菌菌株中，这表明肠道细菌之间发生了多次横向转移。我们注意到个体之间的一些突变和重组事件表明紫菜多糖PUL的获得不是最近的。为了进一步表征生活在不同地理区域的种群之间的遗传差异，我们检查了基因组和宏基因组数据，以确定和定位具有紫菜多糖降解机制的个体。
紫菜多糖PUL，专用于紫菜多糖降解的PUL，紫菜多糖PUL，在B. plebieus中鉴定出含有编码两种β-紫菜多糖酶（BpGH16B，Bacple_01689；BpGH 86 A，Bacple_01693）和两种β-琼脂酶（BpGH 16 A；Bacple_01670; BpGH86B，Bacple_01694）的基因（图1B）。由这些酶降解紫菜多糖产生的寡糖然后被外作用酶进一步降解，所述外作用酶包括由B. plebieus产生的硫酸酯酶（BpS1_11，Bacple_01701）、β-L-半乳糖苷酶（BpGH 29，Bacple_01702）和β-D-半乳糖苷酶（BpGH 2C，Bacple_01706）。B. plebieus或另一种琼胶分解菌株如单胞拟杆菌15（图1B）。还研究了编码已知含有琼脂酶的GH50家族中的酶的基因（BpGH 50，Bacple_01683）的存在，但未证明其底物特异性。总的来说，我们对紫菜多糖催化剂的了解仅限于其非甲基化部分。我们继续对B. plebieus的紫菜多糖PUL进行详细分析。并研究了未表征的糖苷水解酶BpGH16C（Bacple_01703）和BpGH2C，完成了硫酸酯酶BpS1_11的结构数据，并证明紫菜多糖PUL编码催化多糖的甲基化部分完全降解的酶组合。1.内作用6O-甲基紫菜多糖酶BpGH16C（Bacple_01703）的生物化学和分子表征基因Bacple_01703编码GH 16家族的糖苷水解酶（BpGH16C），其包括亚家族GH16_15-16中的特征琼脂糖酶和亚家族GH16_11-12中的赤藓紫菜多糖酶。BpGH16C被分类在GH16_14亚家族中，该亚家族包含一种特征性的β-琼胶酶（弧菌属菌株PO-303，BAF 62129.1）和一种内切-60-甲基-β-紫菜多糖酶（Wenyingzhuangia fucanilytica，WP_068825734.1）。我们测定了BpGH16C对各种海洋多糖，包括角叉菜胶，琼脂糖和紫菜多糖。只有紫菜多糖被降解，导致产生一系列内作用糖苷水解酶特征性的寡糖（图2A）。通过色谱法纯化的终产物的NMR结构表征揭示了在β-连接的D-半乳糖残基上存在甲基（图2B），证明BpGH16C是能够在其活性位点容纳紫菜多糖的甲基的内切-6O-甲基-β-紫菜多糖酶。为了比较，我们已经检查了来自Paraglaciecola atlantica T6 c的另一种预测的GH16_14内切-6O-甲基-β-紫菜多糖酶（Patl_0824，ABG39352.1）的底物特异性，其与BpGH16C呈现51.1%的同一性，并且一种GH16_12 β-紫菜多糖酶（Patl_0805，ABG39333.1）与BpGH 16 B同源。降解产物的分析证实了不同的紫菜多糖酶特异性（图2A）。![]()
图2. A)porphyran与甲基-6O-β-poprhyranase BpGH16C（GH16_14）孵育后降解产物的粒径排斥层析。比较了大西洋P. atlantica T6c紫菜多糖酶在GH16_12（Patl_0824）和GH16_14（Patl_0805）亚家族中的降解特征。B) BpGH16C双糖终产物的1H NMR。在1.9 nm分辨率下测定了BpGH16C的晶体结构（PDB ID 8EP4）（图3A）。该酶具有β-夹心双卷折叠，具有来自GH 16家族24的蛋白质的典型的两个堆叠的反平行β-折叠，并且与大多数GH 16类似，Ca 2+结合在β-夹心的凸侧上。来自结晶缓冲液的Hepes的一个分子结合在裂缝的中心，2-羟乙基末端埋在分子内部，硫酸根基团暴露在蛋白质表面上（图3A）。为了更好地理解底物结合和催化，我们用四糖L-α-6O-硫酸酯-Gal-(1→3)-D-β-Gal-(1→4)-L-α-6O-硫酸酯-Gal-(1→3)-D-a/β-Gal结晶E145 L失活突变体，并在1.8 nm分辨率下测定其结构（PDB ID 8EW1）。电子密度存在于不对称单元中所有三个独立分子的凹槽内，其符合D-β-Gal-(1 β 4)-Lα-6O-硫酸酯-Gal-(1→3)-D-β-Gal三糖（图3B）。非还原端的D-半乳糖的电子密度弱于前两个残基，没有观察到密度的第四个残基，表明其在晶体中的流动性。根据标准命名法，残基对应于-1、-2和-3位置。![]()
图3. A) BpGH16C（Bacple_01703）的晶体结构。B)突变体BpGH16C-E145L的底物结合位点与D-β-Gal-(1→4)-6O-硫酸盐-L-Gal双糖终产物络合。C)底物结合位点残基中双糖之间的氢键。D) BpGH16C（绿色）、PorA (PDB id-3ILF)（洋红色）和PorB (PDB id-3JUU)（黄色）显示活性位点区域的结构比较。
三糖位于凹槽中的边缘上，环的C5取代基在-1位点指向裂缝的底部，而O1和O2羟基指向溶剂。Trp 134与-1残基的疏水侧堆叠，而Arg 67和Glu 238与O4羟基氢键结合。-2亚位点的残基堆积在Trp 64与Trp 143和Phe 169的边缘之间。最后，-2残基的硫酸基团通过桥接水分子与Asn 61、Ser 136和Asn 234氢键合。在分子A/B和C中，非还原端（3位点）上的D-Gal具有略微不同的取向，并且仅通过桥接水形成一个桥接氢键（图3C）。具有三糖的复合物的结构也增加了我们对催化机制的理解。Glu 150确实最接近与水解消除的下一个糖形成键的O1羟基，而Glu 145从相对于O1羟基的环的相对侧接近（图3C），并且可能有助于底物的正确定向。Asp 147是针对桥接O1，可能有助于催化。BpGH16C与三种其他GH16紫菜多糖酶的结构比对：紫菜多糖酶A（PDB ID 3ILF）和来自Zobellia galactanivorans的紫菜多糖酶B（PDB ID 3JIU）和来自B. plebeius的另一种紫菜多糖酶（PDB ID 4AWD）显示Gly 132被Ser或Thr替换，使得该口袋太小而不能容纳C6-O上的额外甲基（图3D）。β-紫菜多糖酶与BpGH16C和另外两种表征的60-甲基-β-紫菜多糖酶的序列比对：Patl_0824（P. atlantica T6c，本研究）和AXE 80_06940（W.fucanilytica）26证实，Ser/Thr被Gly取代与催化位点的-1亚位点中甲基的容纳相关。BpGH16C是第一个结晶的6-OMe-紫菜多糖酶，其耐受半乳糖环上的6-甲基。事实上，口袋末端的活性位点有一个额外的空间来容纳C6-OH，其底部由Gly 132形成（图3E）。按照Robb等人报道的相同策略，将甲基化寡糖与BpS1_11硫酸酯酶、BpGH 29 β-L-半乳糖苷酶和预测的BpGH 2C β-D-半乳糖苷酶孵育。将纯化的甲基化和非甲基化低紫菜多糖与BpS1_11硫酸酯酶一起孵育，通过1H NMR对产物进行分析，结果显示归因于位于非还原端的半乳糖6位质子的信号的强化学位移（约0.1 ppm），表明硫酸酯基团的去除与寡糖的甲基化程度无关。B. uniformis来源的BuS1_11硫酸酯酶和B. plebeius来源的BpS1_11硫酸酯酶自身以及二糖与四糖的复合物晶体结构显示，活性位点中存在容纳寡甲基紫菜多糖的空间。紫菜多糖硫酸酯酶Bp S1_11属于甲酰甘氨酸依赖型硫酸酯酶，需要一个半胱氨酸或一个丝氨酸成熟为甲酰甘氨酸残基作为活性催化残基。BS1_11的一个大的N端结构域含有活性位点残基，构成了底物结合位点的主要部分。较小的C端结构域完成底物结合位点。为了定位底物结合的细节，我们确定了H214 N失活突变体与L-α-6O-硫酸盐-Gal-(1→3)-D-β-Gal-(1→4)-L-α-6O-硫酸盐-Gal-(1→3)-D-a/β-Gal四糖底物（PDB ID 7SNO）的结构。电子密度图清楚地显示了与BpS1_11（H214N）结合的整个四糖。根据最近提出的命名法，四糖与0、+1、+2和+3位结合。在位置0的6S-L-Gal（其硫酸根被去除）具有与蛋白质侧链氢键合的所有三个羟基：O2至Arg 271、O3至Asp 215和Arg 271、O3至Asp 345和Arg 347。6-硫酸根基团面对Ser 83（成熟酶中的甲酰基甘氨酸），其一个氧是Ca 2+离子的配体。在+1位的D-Gal将C6 OH氢键合到His 133的NE 2上，并且其O2通过桥接水分子键合到L-Gal的O2（0位）上。+2 6S-LGal仅在6-硫酸氧和His 428之间进行一次接触。+3 D-Gal远离结合位点延伸，不与蛋白质接触。然而，在晶体中，该糖通过环内的O 1和O 4以及O 5与来自与糖相关的分子的Arg 68的胍基形成氢键。这些相互作用稳定了晶体中的+2和+3糖。重要的是，+1 D-Gal的6-O基团不受酶的严格限制，并且在6-O-Me-D-Gal中存在足够的空间用于额外的甲基。我们证实了使用四糖作为起始底物的紫菜多糖解聚的基于外切的循环。在四-β-半乳糖苷酶化后，BpGH 29外切-β-L-半乳糖苷酶对甲基化和非甲基化底物具有活性，证明甲基不阻碍酶的活性。独立于Robb和同事，我们已经确定了BpGH 29（PDB ID 7SNK）的结构。与它们的结构（PDB ID 7 LJJ）的叠加显示0.6 μm的均方根偏差，表明在不同条件下结晶的结构实际上是相同的，并且证实环408-426的排序和其他周围环的小重排是由底物结合到活性位点引起的。最后，我们观察到位于三糖非还原末端的甲基化或非甲基化D-半乳糖残基被BpGH 2C-D-半乳糖苷酶裂解。总之，在本工作中进行的酶学和晶体学实验揭示了导致紫菜多糖甲基化部分降解的途径。结合前人的研究结果，我们发现紫菜多糖的所有甲基化和非甲基化组分都能被B.庶民因此，该PUL可以自主地分解代谢化学复合的紫菜多糖，而不需要该PUL外部的酶的帮助。先前对B.Plebeius进行的转录组学实验。在培养基中存在紫菜多糖的情况下生长的普雷贝乌斯询问基因Bacple_01668至Bacple_01706 14。有趣的是，转录组学结果表明，至少有两组基因受到不同的调控。在紫菜多糖的存在下，Bacple_01692至Bacple_01699基因簇（图1B中命名为PUL-PorA）适度上调。这与两个相邻的基因簇形成对比：Bacple_01668至Bacple_01689（PUL-PorC）和Bacple_01700至Bacple_01706（PUL-PorB，图1B），它们高度上调（比PUL-PorA高10倍）。编码本文研究的酶的PUL-PorB基因（图1B）被强烈上调，与它们在紫菜多糖代谢中的意义一致直到现在，B.Plebeius DSM 17135是显示出携带紫菜多糖类PUL的唯一肠道细菌。为了研究其他人类肠道细菌是否也能消化紫菜多糖，我们使用BLASTn鉴定了B.Plebeius在分离的人肠道细菌的基因组（超过10000个非冗余基因组）中，B. Plebeius DSM 17135 PUL-PorB是已知的。我们发现，PULs存在于26株Phocaeicola/Bacteroides菌株（对应于至少8种不同的已鉴定种属）的基因组中，所有菌株均来自从亚洲个体的肠道微生物组中分离的菌株。从世界范围内其他人群中分离的相同种属/菌株没有紫菜多糖PULs的同源物。鉴定出的PULs存在于不同的物种中，包括B. dorei，B. eggerthi，B. ovatus，B. plebeius，B. stercoris，B. uniformis，B. vulgatus和B. xylanisolvens，而在其他常见的类杆菌姐妹种如B. intestinalis或B. fragilis这种系统发育多样性可能反映了肠道微生物组细菌之间的大量横向转移事件。这一观察的一个重要结果是，个体人类的分类学组成不一定是其代谢能力的良好预测因子。而B.Plebieus DSM 17135在我们鉴定的所有其他菌株中是保守的，PUL-PorA的基因组织仅在19/26个菌株中是保守的。该基因组区域在B.Plebeius AM 09 -36和B.艾格氏菌株AM42-16。在其他4个菌株（B.stercoris菌株AF05-4，B. sp菌株AF25-38AC ，B. stercoris菌株AM32-16LB，B. xylanisolvens菌株AF38-2）的同源物。B.Plebeius β-琼脂糖酶（GH 86，Bacple_01694）同源物似乎与由两个预测编码代谢酶的基因组成的DNA片段重组：2-脱氢-3-脱氧葡萄糖酸激酶和2-脱氢-3-脱氧磷酸葡萄糖酸醛缩酶。在相同的4个菌株中，还观察到位于PUL-PorC的编码GH50（Bacple_01683）和GH105|GH154（Bacple_01684）的基因缺失，突出显示了通过插入和缺失DNA片段对PUL进行的重塑。用6个连接的PUL-PorB基因计算的Neighbor-Joining树（图4A，基于12888 bp）显示了具有高bootstrap值的3个分支，从而可以根据其PUL-PorB遗传多样性将菌株分为3组（图4A）。第一组（GI）18株，其中B.Plebeius DSM 17135为参考，所有6个基因与参考基因呈现出99-100%的同一性，除了B.Plebeius菌株AM49- 7 BH，其与GH 29和GH 16仅有97-98%同一性。在第二组（GII，6个菌株）中，6个基因的同源性为99-100%，但与B. plebeius的同源性为94-99%。对B. plebeius株AM49- 7BH的基因分析表明，这是由来自GI和Sulf的SusD、SusC和GH2基因与与GII更相关的GH29基因之间的重组事件造成的。重组位点在编码GH16的基因中被确定。因此，我们将B. plebeius菌株AM49-7BH归类为GIrec。B. plebeius菌株AM09-36和B. stercoris菌株AF05-4的基因序列与其他菌株亲缘关系较远，被归为第三类群（GIII）。B. stercoris AF05-4菌株的基因与B . plebeius菌株的参考基因的同源性为92-96 %。另一方面，B.plebeius菌株AM09-36序列似乎是GI和GIII之间的重组事件（图4A），因为SusD、SusC和GH2基因与GI基因的同源性为99100%，而S1_11硫酸酯酶和GH29基因与GIII基因几乎相同。同样，重组位点在编码GH16的基因中被确定。因此，我们将B. plebeius菌株AM09-36归类为GⅢrec。![]()
图4. A)将PUL-PorB基因序列拼接后计算出的系统发育树。观察到的序列同源性允许识别重组位点并创建同源porphyran PUL组。对各菌株的porphyran-PUL基因与B. plebeius DSM 17135b对应基因的同一性进行了比较。中国东南、东北和日本人群肠道元基因组组合中不同组porphyran PUL基因的分布情况。
我们通过针对组装的人类肠道宏基因组数据集探测六个PUL-PorB基因来探索紫菜多糖降解系统在不同人类肠道微生物群中的全球地理分布。我们扫描了19个项目（9个亚洲，7个北美，1个南美和2个非洲数据集），共覆盖了2720个生物样本，获得并组装了肠道宏基因组。仅检索到完全测序的基因。我们发现，在1144名受试者中，370名东亚人的肠道宏基因组中存在至少一个完全测序的PUL-PorB基因-对应于36%的中国人和20%的日本人，而我们在1262个北美肠道宏基因组中只发现了10个阳性个体，（0.8%的个体），其他地理区域没有，包括117只来自南亚（印度、孟加拉国）、47只来自南美洲（秘鲁）和150只来自非洲（坦桑尼亚、马达加斯加）。因此，如在以前的调查中观察到的，藻类多糖降解系统的发生似乎主要限于东亚人群。基于基因序列，将基因和相应个体表征为属于GI/GIrec、GII、GIII和/或GIIIrec。对于大多数个体（92.6%），检测到的基因被归因于一个单一的组，但是，少数个体（5.9%）呈现属于两个不同的组的PUL-PorB基因。然后将这些个体按地理位置分组（图4 B）。为了获得大量的个体，我们区分了生活在中国东北（杭州），中国东南（深圳）和日本的人群。在两组中国个体中，GI/GIrec组在超过一半的人群中存在（分别为56%和53%），其次是GII组（分别为33%和39%）。GIIIrec组仅存在于中国个体中，更具体地说，在中国东北地区，15%的个体中发生。相比之下，在日本，GI和GII的比例相似（42%），GIII组占20%。中国东北、中国东南和日本人群总体上存在显著差异（X平方=49.78，p值=2.5×10-5）。这种差异主要是由日本人群和中国人群之间的显著差异驱动的（多重检验的FDR Bonferroni校正后，日本与杭州和深圳的q值分别为0.0008和0.0323），而两个中国人群之间没有显著差异（q值=0.1280）。然后，我们分别检验了哪一组人群的患病率不同，发现GIII和GIIIrec有显著差异（比例检验，q值分别为0.0009和0.0406），而GI和GII没有显著差异（比例检验，q值分别为1和0.8925）。对组装的宏基因组的分析显示，92.6%的个体仅携带一种版本的PUL-PorB。然而，这一观察结果可能是由于重叠群构建中所涉及的生物信息学过程所固有的一些偏差。因此，为了分析没有这种偏差的数据，我们选择了54个核苷酸的序列，允许直接在原始测序数据（例如短读段）上探测不同的PUL-PorB组。探针是编码甲基紫菜多糖酶的Bacple_01703（GH 16）基因的一部分，其呈现GI、GIrec、GII、GIII和GIIIrec组的特征性突变（图5）。这种方法允许我们探索未组装的新宏基因组数据集，从而扩大了采样位点的数量以及测试的个体数量，现在总共有2313个个体。![]()
图5. 对比中国和日本人群元基因组数据的短读测序，得到不同组porphyran PUL的54个核苷酸序列特征（上）。检测到的短读的数量为每个个体指明，并作为采样地理位置的函数分组。如前所述，我们通过这种独立的方法证实了PUL-PorB在东亚沿海人群中相当常见（中国为54%，日本为67%）。我们注意到，使用这种方法的阳性个体的患病率比使用组装的数据集高得多，并且还观察到日本（492%）人群之间的差异高于中国（20-69%）。图5中的直方图显示了每个个体的短读段数量及其对GI、GIrec、GII、GIII和GIIIrec组的归属。在阳性个体中，我们发现他们中的大多数（80.0%）携带归因于单个组的短片段。有趣的是，当个体呈现两种类型的短读段（或更多）时，一组明显占主导地位（第一高读段数与第二高读段数的中位数比为4）。因此，如果个体仅携带该组，或者如果该组占主导地位，我们将个体表征为属于该组，我们将其定义为与第二最普遍的组相比，该组的读取量超过两倍。使用这个定义，我们发现93.8%的个体携带归因于单个优势群体的短读段，这个数字与组装数据集观察到的非常相似。使用这些类别，对短读段的分析证实，GI和GIrec突变在中国人群中占主导地位（54.2%的个体，日本为40.3%），而GII突变在日本人群中最常见（51.0%的个体，中国为42.4%）。GIII基因突变主要见于日本人群（13.8%），中国人群中较少（2-6.7%）。最后，GIIIrec突变在杭州人群中最多（9.3%），在其他地方则不太常见（0.3-5%）。仅包括具有足够大的数字的类别（即，显性GI、GIrec、GII、GIII、GIIIrec和共显性GI+GII组），我们发现五个群体总体上存在显著差异（X2= 93.2，p值=2.0×10-11）（图6）。这种差异主要是由日本人群和三个中国人群之间的显著差异（除北京外，q值<0.004）以及香港和杭州之间的显著差异（q值=3.7x10-7）造成的。然后，我们分别检验了哪一组人群的患病率在人群之间存在显著差异，发现除GIrec（比例检验，q值=1）外，所有人群均存在显著差异（比例检验，q值<0.015），但GIII和GIIIrec呈现出更强的差异（比例检验，q值分别为2.2×10-6和3.8×10-8），与MG结果相似。![]()
图6. 各种porphyran类PUL在中国和日本人群中的分布。饼状图来源于图S8所示的直方图，该直方图来源于对中国和日本宏基因组数据的短读测序分析。在80%的个体中，只观察到一组porphyran PUL。对于其他个体，当检测到的短读数至少是另一个个体的两倍时，就被认为是优势群体。在其他情况下，报告了群体的共现。
生物化学和晶体学研究表明，紫菜多糖PUL编码定制的酶，专门用于完全降解多糖，包括甲基化部分，得到半乳糖苷和6-O-甲基-半乳糖苷作为最终产物。我们发现，6-O-甲基-紫菜多糖酶（BpGH16C）提出了一个活性位点，能够容纳甲基基团，与以前研究的α-紫菜多糖酶的活性位点。类似地，外-60-L-半乳糖紫菜多糖硫酸酯酶Bp S1_11可以在其活性位点容纳甲基化寡糖。6-O-甲基-吡喃半乳糖苷的脱甲基作用定位于几种好氧细菌的琼脂糖PUL中，这些细菌属于γ-变形菌门、拟杆菌门和浮游菌门。该反应是在铁氧还蛋白、铁氧还蛋白还原酶和P450单加氧酶等特异性单加氧酶系统中进行的。然而，半乳糖残基在厌氧细菌中的去甲基化尚未阐明，没有编码基因周围的紫菜多糖利用位点可以被怀疑参与去甲基化途径。由于收获、干燥和烹饪紫菜是生活在太平洋沿着的许多人群的保守做法，而且这些祖先传统似乎遵循了智人从亚洲到美洲大陆南部的分散线，因此可以预期，生活在太平洋沿岸沿着的人群中可能存在紫菜多糖降解系统。对秘鲁或斐济种群宏基因组学数据的分析显示，没有类似于亚洲紫菜多糖PUL的降解系统。在此背景下，紫菜多糖PUL的分布和历史的分析仅限于中国和日本人群。在沿海人群中发现的PUL-PorB同源基因序列在中国大陆人群中也存在，表明PULPorB在中国人群中的传播与地理位置无关。一种假设是，紫菜多糖PUL最初是由生活在海边的人获得的，然后在大陆人群中传播。这些基因在个体的肠道微生物群中是保守的，只要饮食（包括藻类）保持选择压力。使用组装的和原始（例如短读段）数据进行宏基因组数据的研究。分析表明，所研究的群体具有有限数量的遗传变异，用于表征5个组群（GI、GIrec、GII、GIII和GIIIrec）。利用原始数据使我们能够估计更多携带参与紫菜多糖降解的菌株的个体，突出了这种方法可能更好的灵敏度。此外，短读段的分析揭示了一个PUL变体存在于个体中或在个体中占主导地位，从而给出了PUL的明显的单倍体组织。在细菌水平上的微生物群的结构似乎驱动了遗传和分子水平上的结构化，或称为结构化。各种PUL-PorB的遗传组织和分散表明它们已经从祖先基因簇中分化出来。然而，没有证据表明人类肠道中发生了从祖先PUL的进化，或者在不同时期获得了独立进化的同源PUL。普尔斯的遗传变异数量少，分布广，这表明通过从生活在红藻表面的海洋细菌向人类肠道菌株的横向转移获得仍然是一个罕见的事件。搜索海洋菌株基因组和宏基因组学数据未能鉴定出与在人类肠道中观察到的那些类似或远相关的紫菜多糖PUL。因此，目前还没有环境数据可以帮助估计海洋细菌菌株和人类肠道微生物群之间横向转移事件的速度和数量。因为PUL-PorB GI和GII组在中国和日本人群中很常见，并且因为它们在许多不同的人类肠道菌株中被鉴定，所以可以假设这些基因簇存在于早期人类肠道菌群中，从而允许它们在亚洲人群中分散，并在肠道菌群菌株之间进行横向交换。GIIIrec群主要出现在杭州种群中，在深圳和北京种群中的丰度较低，而在日本种群中几乎不存在，表明其出现时间较GI和GII组更近。有趣的是注意到该重组菌株目前在亲代菌株GIII的流行率最低的人群中发现（即，中国），但在GIII发病率不可忽略的唯一人群（即日本）中没有发现。这可能表明，在出现后，GIIIrec可能局部取代了GIII组，这预示着这些菌株的功能等同性问题。一般而言，PUL变异体在给定种群内和地理上相距较远的种群之间的分散率可能反映了种群之间的交换，其中涉及个体的移位。总之，人类肠道微生物群的结构和功能主要是在属或物种水平上进行研究解释的，而我们在这里看到紫菜多糖降解系统的例子，重要的功能信息是在菌株甚至遗传水平上进行的。事实上，PUL系统由拟杆菌属的各种物种和菌株携带，并且GI/GII/GIII组与特定菌株无关，因此基于分类学推断这些组是不可能的。尽管仍然很难说明哪些突变是通过人类肠道群体内部的独立进化获得的，哪些突变是通过横向转移获得的，但在本研究中，我们证明了地理位置遥远的人类群体呈现出共同的（例如GI、GII）和特定的遗传特征（例如GIrec、GIII和GIIIrec）。所研究的种群的当前结构可能是横向转移、重组以及迁移事件的结果，这反映了肠道微生物群的进化历史，因此也反映了其宿主的进化历史。
原文：The porphyran degradation system of the human gut microbiota is complete, phylogenetically diverse and geographically structured across Asian populationsDOI: https://doi.org/10.1101/2023.03.30.534863
