中国科学院朱永官/黄乾生发现环境和人类菌群的细胞外囊泡中隐藏着多种功能基因

菌群内移动功能基因的交换有利于微生物的交流。然而，移动基因库在环境中的地位在很大程度上仍不清楚，这阻碍了对自然微生物群落基因转移过程的理解。

2022年12月3日，中国科学院城市环境研究所朱永官及黄乾生共同通讯在Journal of Extracellular Vesicles（IF=17）在线发表题为“Diverse functional genes harboured in extracellular vesicles from environmental and human microbiota ”的研究论文，该研究表明环境和人类菌群的细胞外囊泡中隐藏着多种功能基因。多种生物胞外囊泡(EVs)的释放被认为是微生物及其栖息地之间相互作用的复杂网络的一个重要途径。

在人类粪便、废水和土壤中发现了与细菌浓度相当的高丰度EVs。宏基因组分析表明，与源菌群相比，EVs相关DNA在分类上具有多样性和差异性。一系列高效的EVs生产品种被识别出来，丰富了包括糖苷水解酶家族25在内的多种活动基因。与移动遗传元件共定位的耐药基因在EVs中大量存在。本研究为研究普遍存在的EVs作为自然环境中移动功能基因的储存库提供了新的视角。

通过物质和信息交换的细胞间通信是自然界细菌执行复杂任务的主要方式，如生物膜的形成和对环境刺激的响应。在微生物群落中存在着基因流动。这些可移动的基因使微生物的行为同步，并使微生物群落受益。例如，通过基因水平转移（HGT）进行的频繁基因交换在抗生素耐药性基因（ARG）的生态位扩展中起着重要作用，从而增强了抗生素耐药性。

编码可移动糖苷水解酶的基因在菌群间的转移可以传播多糖代谢能力，从而促进菌群的生长。所有这些都显示了移动基因在环境和肠道菌群中的重要作用。然而，这个移动基因库在该领域的地位仍然不清楚，这导致了实验室实验和自然环境之间知识的极度脱节。

几乎所有的生物都能释放EVs。作为球形和脂双层纳米级颗粒，EVs可以封装、浓缩和保护其载物，包括DNA、RNA、蛋白质和脂类。在EVs中，“货物”可以停留更长时间，达到更远的距离，防止稀释和降解，这有利于有效地运送到目标细胞。在实验室培养条件下，EVs介导ARGs、毒力决定因素、必需营养物质、细胞外电子和群体感应分子在物种内部或跨物种的传递。在现场研究中，利用密度梯度离心法将EVs从海水中分离出来，这些EVs在海洋生态系统中携带着各种类型的“货物”。

来自三种生境的EVs相关DNA的微生物组成（图源自Journal of Extracellular Vesicles ）

EVs对肺转移有促进作用。ARGs和移动遗传元素(MGEs)在室内粉尘EVs中的流行程度，并通过宏基因组测序在室内粉尘中研究了它们的微生物起源。在污水中，EVs通过100 kDa的切向流过滤进行超浓缩。宏基因组学显示抗生素治疗后与EVs样颗粒相关的ARGs的变化。这些研究证实了野外微生物EVs的存在，强调了进一步研究EVs在环境菌群中的来源、“货物”和功能的必要性。

在本研究中发现EVs在人类粪便、废水和土壤等三种常见微生物生境中普遍存在。这些EVs群体具有不同的微生物来源，携带着编码不同功能蛋白质的DNA，为了解EVs在自然环境中作为功能基因储存库的作用提供了依据。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jev2.12292

转自：“iNature”微信公众号

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