全基因组选择性扫掠塑造人类肠道微生物组的生态单元

《Nature》：Genome-wide sweeps create ecological units in the human gut microbiome

　　

摘要 人类肠道微生物组受宿主和环境因素产生的多种选择力塑造，并深刻影响健康与疾病。尽管微生物谱系与多种健康状况的关联已在不同分类水平上得到证实1-5，但将微生物谱系分类为生态分化种群的统一适应性机制的程度仍知之甚少。本研究表明，全基因组选择性扫掠（genome-wide selective sweeps, GWSSs）是微生物组中细菌分化的一种普遍机制。该机制导致跨地理和种族多样性人群的、类似于全球流行病的种群结构。此类扫掠发生在适应性突变使一个克隆在其生态位中胜过其他克隆，随后再多样化时，并在系统发育树上表现为长分支上紧密相关基因组的聚类。通过排除掩盖基因组克隆世系的重组事件，可以揭示这种结构。实际上，研究表明，在来自25个细菌科的至少66个分类单元中，GWSSs在广泛的重组率范围内发生。分化年龄估计表明，扫掠簇可在数十年内传播至全球，且这一过程贯穿整个人类历史。扫掠簇与不同的宿主状况（如年龄、结直肠癌、炎症性肠病和2型糖尿病）相关，这指示了它们的生态分化。研究结果揭示了具有差异关联的稳定遗传菌株的进化机制，并为分析微生物种群间的适应性提供了理论基础。

研究背景与意义

人体微生物组与健康密切相关，现有证据多基于细菌多样性单位（从rRNA水平到菌株水平变异）与疾病状态的关联性^1-5,8,9。然而，由于这些操作定义的微生物多样性单位及其相关模型菌株是否能准确代表关联背后的适应性过程尚不明确，这为机制理解和实验验证带来了困难^6,7。一个潜在的解决路径是定义在生态和遗传上均与其姊妹类群分化的种群，因为它们是由不同的环境选择产生的，这种方法被称为“逆向生态学”（reverse ecology）^10-13。理论研究表明，全基因组选择性扫掠是一种重要的适应性机制，即整个基因组与一个适应性突变发生“搭车”（hitchhikes）^14,15，但在自然界中其发生的证据仍然有限^16-18。值得注意的是，源自人类微生物组的分离株系统发育树常呈现“扫帚”状结构，即一群紧密相关的菌株（扫帚头）位于异常长的分支（扫帚柄）上，这是GWSS的标志性结构^19,20。本研究旨在验证GWSSs是人类微生物组中一种常见的适应性机制，并能创建分化的生态种群，从而为理解微生物种群结构、进化与疾病关联提供新的理论框架。本研究成果发表于《Nature》。

主要关键技术方法概述

本研究综合利用了大规模的分离株基因组和宏基因组数据。首先，从公共数据库及新的测序工作中收集、质控并整理得到16,864个人类肠道分离株高质量基因组，并根据物种水平基因组箱（species-level genome bins, SGBs，定义为与MetaPhlAn4数据库参考基因组平均核苷酸差异<6%的基因组组）进行分类。为消除个体内重复取样偏差，对每个SGB只保留来自不同个体的一个代表基因组，最终得到6,411个基因组用于后续分析。研究人员开发了计算流程PopCoGenomeS²⁴来识别GWSS簇。该方法的核心包括：1）通过混合模型（结合泊松分布和负二项分布）和隐马尔可夫模型区分基因组对中克隆遗传和重组的区域，以识别垂直遗传的克隆框架；2）应用基于溯祖理论的5倍规则（5× rule）来识别满足GWSS特征的基因组簇，即簇内平均分歧度小于其与最近姊妹类群间分歧度的五分之一。3）为验证并扩展GWSS，研究人员从curatedMetagenomicData数据库等来源收集了1,477个代表不同宿主表型和地理位置的粪便宏基因组，过滤出单菌株占主导的样本。通过为每个GWSS簇构建共识克隆框架，并将分离株和宏基因组样本比对至此框架计算距离，再次应用5倍规则以确认GWSS的存在和范围。此外，还利用标记基因、分子钟估计、种群遗传学分析（如Tajima's D）和与宿主表型的关联分析来验证GWSS的生态分化、传播速度和功能基础。

研究结果

1. 全基因组选择性扫掠普遍存在

通过分析176个SGBs（每个SGB包含>5个基因组），研究人员在分离株中初步识别出377个潜在的GWSS簇。在结合宏基因组数据验证后，最终在66个SGBs中确认了124个GWSSs。这些SGBs包括46个共生菌、11个病原菌和9个常见于发酵或功能食品的共生菌（益生菌）。GWSSs在多个主要的肠道细菌科中均有发现，尤其是在拟杆菌科中最普遍，表明GWSSs是塑造人类微生物组种群结构的普遍机制。种群遗传学指标Tajima's D在所有共生菌GWSSs中均为负值，支持其为近期由选择驱动的克隆扩张。此外，大多数GWSS簇（54/77）包含来自超过一个大陆的样本，表明它们已在不同人群中传播。

2. 扫掠簇快速传播

研究人员使用两种独立方法估算了GWSSs的发生时间。基于1-10个SNPs/基因组/年的分子钟速率估计，扫掠簇的年龄范围从数十年到数千年。基于纵向或分居双胞胎的宏基因组数据估算的进化速率与固定分子钟估计值处于同一数量级。这些估计表明，GWSSs在数千年间反复发生，簇间年龄差异可达近千倍。值得注意的是，在共生菌中，有26个跨大陆的扫掠簇估计年龄小于一个世纪。大多数跨大陆扫掠簇内，不同大陆样本间的遗传距离与同一大陆内的差异不显著，表明存在快速、重复的跨大陆菌株传播。共生菌扫掠的平均SNP多样性显著高于病原菌，表明其传播速度较慢和/或年龄更老，但数据支持共生菌GWSS簇仍可在人类寿命时间内传播至全球。

3. GWSSs跨越广泛的重组率范围

理论预测高重组率会促进基因特异性扫掠而非GWSSs。然而，研究发现具有和不具有GWSSs的SGBs之间的重组率（每突变的基因组重组比例）没有显著差异。在共生菌中，GWSSs可在重组率相差约400倍的范围内被检测到。这表明，选择的强度通常足以在较高的重组环境下仍允许GWSSs发生。

4. GWSS簇是生态种群

研究人员预测GWSS簇是生态分化的。为验证此点，他们在一个更大的宏基因组集合（6,783个样本）中检测了GWSS簇与五种宿主表型（结直肠癌-CRC、克罗恩病-CD、溃疡性结肠炎-UC、2型糖尿病-T2D、高龄>65岁）的关联。共发现178个共生菌GWSS簇与至少一种宿主表型显著相关，其中104个无显著地理偏倚。重要的是，同一SGB内的不同GWSS簇可以与不同的宿主表型相关联，显示出精细的生态分化。例如，Bacteroides uniformis的GWSS簇分别与所有五种表型呈正相关，而其在SGB水平上则无此关联或呈负相关。对GWSS簇特异性基因的功能分析表明，在拟杆菌目中，与荚膜多糖等聚糖和糖缀合物的合成或修饰相关的基因，特别是糖基转移酶结构域，显著富集。这些结构与免疫系统相互作用，可能介导了对不同宿主健康状况的适应。

讨论与结论

本研究结果表明，全基因组选择性扫掠是塑造人体内细菌种群结构的一种基本力量。GWSSs创建了生态分化的种群，将这些种群映射到宏基因组上可作为各种健康状况的准确且易于定义的标记。GWSSs的另一个重要推论是，这些簇适应于与至少一部分其他群落成员共存，因此，识别GWSS簇可能有助于构建细菌共现网络，并影响选择合适菌株作为实验模型或组装合成肠道群落。

一个意想不到的结果是，肠道共生菌的GWSS簇似乎是全球适应性的，并以类似于通常归因于病原体的流行病方式传播。然而，共生菌和病原体传播的潜在机制可能不同。许多病原体的新适应克隆可以迅速传播并导致遗传高度同质的全球种群。相比之下，本研究数据表明共生菌可能需要数十年才能达到全球分布，这可能归因于较慢的传播链。这种较慢的传播反映在共生菌GWSS簇更高的多样性上，因为它们可能在传播过程中发生多样化。研究人员认为，无关个体间共享的密切相关的菌株中，有一部分是GWSSs的成员，其获取主要反映了它们对特定微生物组环境的增强适应。因此，它们的替换也反映了生态适应种群的更替，这可能作为人类健康变化的哨兵。

研究结论

本研究的发现揭示了全基因组选择性扫掠是人类肠道微生物组中细菌种群分化和适应的一种核心机制。GWSSs创建了在生态和遗传上均有区分的种群单元，这些单元与特定的宿主健康状况（如CRC、CD、UC、T2D和高龄）存在差异关联，表明其具有明确的生态位特异性。该过程发生的频率高、时间跨度长（数十年至数千年），并能跨越广泛的重组率范围和地理界限快速传播，形成了类似于全球流行病的种群结构。通过区分克隆遗传和重组事件，本研究提供了一种识别此类适应性种群的方法。这些结果为理解微生物种群进化、菌株传播动力学以及微生物组与疾病的关联提供了新的理论基础，并对未来基于微生物组的精准诊断、治疗和合成菌群构建具有指导意义。