近距离遗传观察生活在嘴里的难以置信的可变细菌

显微照片显示了其自然栖息地中的Rothia细胞（淡蓝色），这是从人的舌头刮下的细菌生物膜。

研究人员仔细研究了人类口腔中微生物群落的基因组。

细菌通常表现出非常强的生物地理学特征-有些细菌在特定位置富集而其他细菌则不存在-在将微生物学应用于治疗剂或益生菌时引发了主要问题：细菌是如何进入错误的位置的？当生物地理学已经“摆脱困境”时，我们如何将正确的细菌添加到正确的位置？

然而，这些问题有一个很大的障碍，细菌是如此之细，数量众多，人口非常繁复，这给理解哪些细菌亚群生活在何处以及哪些基因或代谢能力使它们在这些“错误的”地方壮成长提出了重大挑战。 。

在由基因组生物学发表的一项新研究中，由哈佛大学领导的研究人员检查了人类口腔微生物组，发现了生活在口腔某些区域的细菌亚群的惊人变化。

主要作者丹尼尔·乌特（Daniel R. Utter）说：“作为微生物生态学家，我们着迷于细菌似乎如何将任何栖息地带入各种生态位，但作为人类自己，我们也对微生物如何在体内构型感到内在的好奇心。”哈佛大学生物与进化生物学系博士研究生。

测序和生物信息学方法的最新发展提供了解决细菌群落复杂性的新方法。哈佛大学有机与进化生物学系生物学教授爱德华·杰弗里·厄特（Utter）和科琳·卡瓦诺（Colleen Cavanaugh），与芝加哥大学伍兹霍尔海洋生物实验室的研究人员合作，将这些状态应用于美国加州大学伍兹霍尔分校。最新的测序和分析方法可以更好地了解口腔微生物组。

芝加哥大学医学系助理教授A. Murat Eren说：“嘴是研究微生物群落的理想场所。”“这不仅是胃肠道的开始，而且还是一个非常特殊的小型环境，在微生物上足够逼真，我们可以真正开始回答有关微生物群落及其进化的有趣问题。”

口腔在不同区域包含数量惊人的特定部位微生物。例如，在舌头上发现的微生物与在牙齿上的牙菌斑上发现的微生物非常不同。“您的舌头微生物与生活在别人舌头上的舌头细菌相比，更类似于生活在您的喉咙或牙龈上的舌头微生物！”艾伦说。

该小组搜寻了公共数据库并下载了100个基因组，这些基因组代表了口腔中常见的四种细菌，副流感嗜血杆菌和Rothia属的三种口腔物种，并以此为参考来调查他们从数百名志愿者口腔中取样的亲属。人类微生物组计划（HMP）。

“我们以这些基因组为起点，但很快就超越了它们，以探究生活在我们嘴里的数万亿细菌细胞中的总遗传变异，” Utter说。“因为，归根结底，这就是我们所好奇的，而不是被排序的任意少数。”

使用这种新近开发的方法，称为超泛基因组学（metapangenomics），它将泛基因组（在一组相关细菌中发现的所有基因的总和）与宏基因组学（对来自社区中所有细菌的总DNA进行研究）结合在一起，使研究人员能够进行对微生物基因组的深入检查，这导致了令人震惊的发现。

“我们发现了巨大的可变性，” Utter说。“但是，我们对口腔不同部位的这种变化规律感到震惊；特别是在舌头，脸颊和牙齿表面之间。”

例如，在单个微生物物种内，研究人员发现了与口腔内单个不同部位密切相关的独特遗传形式。在许多情况下，研究小组能够鉴定出少数基因，这些基因可以解释特定细菌群体的特定栖息地。利用超基因组学，研究人员还能够确定人口中的自由生存细菌与实验室长出的亲戚不同的特定方式。

“通过直接比较“驯养”和“野生”细菌的基因组，这些技术所提供的分辨率使我们能够逐个基因地剖析这些差异， Cavanaugh说。“我们还能够鉴定与培养中的细菌菌株有关但与之不同的新型细菌菌株。”

卡瓦诺说：“已经鉴定出一些确实很强的细菌候选物，这些候选物可以决定对特定生境的适应性，我们希望通过实验检验这些假设。”这些发现可能是解锁有针对性的益生菌的关键，在这里，科学家们可以利用对每种微生物的生境要求所学到的知识，来设计有益微生物，使其降落在指定的生境中。

海洋生物学实验室的副研究员杰西卡·马克·韦尔奇（Jessica Mark Welch）说：“嘴很容易接近，人们已经研究了很长时间的嘴细菌。”

“我们所观察的每个环境都有这些真正复杂的细菌群落，但是为什么会这样呢？”马克·韦尔奇说。“了解这些群落为何如此复杂以及不同细菌如何相互作用将帮助我们更好地了解如何修复损害我们健康的细菌群落，并告诉我们哪些微生物需要清除或重新添加。”

这项研究和其他类似研究可以为口腔微生物在人类健康中的作用提供新的见解。乌特说：“识别栖息地适应性背后的特定基因的能力在微生物生态学上有些'圣杯'。”“我们为在这一领域的贡献感到非常兴奋！”

参考：Daniel R. Utter，Gary G. Borisy，A。Murat Eren，Colleen M.Cavanaugh和Jessica L. Mark Welch撰写的“口腔微生物组的超基因组学提供了对栖息地适应性和栽培品种的洞见”，2020年12月16日，基因组生物学。 ：
10.1186 / s13059-020-02200-2