人类肠道微生物组中普遍存在基因特异性选择清除现象

人类肠道菌群由多样物种组成，这些物种在个体宿主生命周期及跨宿主定植周期中不断进化。近期研究发现，健康成年人肠道共生菌在无抗生素等明显干扰时，也会在数天至数月内快速进化，新突变常出现并达到高频。但对于适应性特征跨宿主传播的长期动态，我们知之甚少。

宿主肠道菌群中的新适应特征可能通过菌株传播及后续水平基因转移（HGT）扩散到多个宿主。人类肠道菌群是HGT的热点区域，使适应性等位基因易重组到新的遗传背景中。HGT在某些基因（如抗生素抗性基因）的传播中起关键作用，尤其是跨物种传播。然而，HGT在同一肠道共生菌种内菌株间促进适应性等位基因传播的程度（特别是通过同源重组）尚不明确。

当适应性等位基因通过“基因特异性”选择性清除在群体中传播时，附近其他“搭便车”的变异（中性或有害）会随适应性变异一起转移。这导致携带适应性等位基因和搭便车变异的相同基因组序列出现在不同宿主微生物组的远缘菌株中，使适应性等位基因附近出现连锁不平衡（LD，不同基因位点等位基因间的非随机关联）升高的独特信号。

虽然LD升高长期以来被用作有性真核生物的选择信号，但在细菌中基于LD的选择扫描应用有限，部分原因是许多细菌（尤其是肠道共生菌）重组的普遍性和动态学才逐渐被认识，且LD统计易受人口收缩等非选择进化力量干扰，而对这些力量在肠道细菌中的作用了解尚浅。

研究人员提出，检测细菌中重组介导的选择性清除并控制非选择力量的方法是比较非同义与同义变异的LD。理论上，在已达到高频的适应性位点附近，常见非同义变异的LD应高于同义变异。因为同义变异更可能是中性的，而大多数非同义突变有害且罕见，但适应性突变附近的罕见非同义变异可能在清除过程中搭便车达到高频，主要存在于携带适应性突变的单倍型上；同义变异可通过中性漂变或搭便车达到高频，存在于清除和非清除单倍型上。因此，清除区域常见非同义变异LD更高，同义变异LD更低。

研究人员通过模拟验证该假设，并应用新的整合LD评分（iLDS）统计量分析宏基因组数据，发现重组介导的选择性清除在肠道菌群中普遍存在。

在模拟中，他们证实正选择和有害等位基因搭便车会导致非同义变异LD升高。对来自北美、欧洲和中国693人的32种肠道菌宏基因组数据分析发现，32个物种中有26个的常见变异中，非同义变异LD显著高于同义变异，与选择作用一致。

为识别特定选择清除位点，开发iLDS：通过滑动窗口计算，结合非同义与同义变异LD差异（AUC(rN² - rS²)）和局部与全基因组背景LD差异（AUC(r local² - r genome-wide²)）。iLDS在艰难梭菌中验证有效，能准确识别已知的毒素B基因（tcdB）和S层基因盒等选择清除位点，且中性条件下假阳性率低于1%。

将iLDS应用于32种肠道菌，发现155个独特清除，平均每物种4个，涉及447个基因，其中碳水化合物转运和代谢基因（如淀粉利用系统基因susC/susD、麦芽糖糊精代谢基因mdxEF）富集。

分析全球24个人群（19个工业化、5个非工业化）的菌株和宏基因组组装基因组（MAGs），发现309个清除，多数为人群特有，但35%共享。工业化人群间共享清除比例（Jaccard指数0.21）显著高于与非工业化人群（0.11）。如罗姆布氏菌（Ruminococcus bromii）的mdxEF基因在14个工业化人群中受选择，而在斐济和萨尔瓦多等非工业化人群中未被选择，表明其适应工业化生活方式。

研究表明，数百个基因特异性清除提示重组是肠道细菌适应性DNA传播的主要机制。iLDS的成功依赖于这些物种中普遍存在的同源重组。宿主饮食不仅改变菌群物种组成，还选择种内特定遗传变异，如工业化饮食中的麦芽糖糊精可能驱动相关代谢基因选择。部分非同义变异可能是有害搭便车者，未来需研究其功能重要性，以助力益生菌设计等应用。