硫代磷酸酯表观基因组在人类肠道微生物组中的奥秘：时间动态与宏基因组学解析

《Microbiome》：Temporal dynamics and metagenomics of phosphorothioate epigenomes in the human gut microbiome

为探究磷硫酰化（PT）在人类肠道微生物组中的作用，研究人员分析其景观和时间动态，发现 PT 修饰存在多样性，为相关研究奠基。

　　

磷硫酰化修饰在人类肠道微生物组研究中的进展与意义

在微观的生命世界里，微生物群落就像一个庞大且复杂的 “小宇宙”，其中的细菌和噬菌体等微生物通过各种精妙的机制来调控自身的生命活动。DNA 修饰作为一种重要的调控方式，在微生物的基因表达和宿主防御中发挥着关键作用。在众多的 DNA 修饰类型里，磷硫酰化（PT）是一种独特的存在，它是指在 DNA 的糖 - 磷酸骨架中，一个具有化学反应活性的硫原子取代了非桥接氧原子 。这种修饰由 dnd 和 ssp 等基因家族催化，广泛存在于细菌和古细菌中。

尽管 PT 在原核生物中分布广泛，但人们对其在人类微生物组中的具体作用却知之甚少。此前的研究虽然发现人类粪便 DNA 中存在 PT，但由于技术限制，无法全面、精确地对其进行量化分析，也难以准确鉴定含有 PT 修饰的微生物。在肠道这个特殊的环境中，PT 修饰的微生物会如何表现？它们与肠道炎症性疾病，如炎症性肠病（IBD）之间又有着怎样的联系？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着科研人员，也促使他们开启了探索之旅。

为了揭开这些谜团，来自美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Microbiome》杂志上，为我们理解 PT 修饰在人类肠道微生物组中的作用提供了重要线索。

研究人员为了实现研究目标，采用了多种先进的技术方法。在样本处理方面，他们优化了粪便 DNA 提取方法，从健康人类和小鼠的粪便样本中获取 DNA。对于 PT 修饰的分析，运用了质谱分析技术，该技术能够精准地识别和量化 PT 修饰的二核苷酸。此外，还利用了一种新型的下一代测序技术 ——PT - seq，通过对 PT 修饰位点进行特异性标记和测序，来确定含有 PT 修饰的微生物种类及其相关的 PT 修饰共识序列。

研究结果主要从以下几个方面展开：

1. 优化分析平台：研究人员优化了粪便 DNA 提取、色谱 - 质谱联用（LC - MS）和基于下一代测序（NGS）的宏基因组分析等技术。改进后的粪便 DNA 提取方法，使 DNA 产量提高了十倍以上，同时提升了 DNA 的纯度，有效减少了微生物细胞壁机械特性和复杂粪便基质带来的偏差。优化后的 LC - MS 方法，能够更灵敏、准确地检测低丰度的 PT，为后续研究提供了可靠的数据支持。
2. PT 二核苷酸谱：在小鼠肠道微生物组研究中，发现所有小鼠共享 16 种可能的 PT 二核苷酸中的 11 种，雌雄小鼠之间仅有 dG_PTdC 和 dC_PTdT 存在显著差异。而对 11 名健康人类粪便 DNA 分析时，检测到 10 种 PT 二核苷酸，不同个体间的 PT 二核苷酸谱差异显著，这表明人类肠道微生物组中的 PT 修饰具有高度的个体特异性。
3. 时间动态变化：通过对部分捐赠者粪便样本的长期监测，发现 PT 二核苷酸的总水平每周都会发生显著变化。研究人员将 PT 波动与另一种广泛存在的微生物表观遗传标记 N⁶ - 甲基 - 2'- 脱氧腺苷（m⁶dA）进行关联分析，发现它们的波动符合泰勒幂律（Taylor’s Power Law），这意味着 PT 二核苷酸的变化反映了肠道微生物的正常动态变化。
4. 宏基因组分析：利用 PT - seq 对一名粪便捐赠者的样本进行宏基因组分析，确定了含有 PT 修饰的微生物主要属于拟杆菌门（Bacteroidota）、厚壁菌门（Bacillota）、放线菌门（Actinomycetota）和变形菌门（Pseudomonadota）。同时，还鉴定出了一些 PT 修饰的共识序列，如 CAG、CCA 等，这些序列在不同的微生物基因组中具有不同的分布和频率。

研究结论和讨论部分指出，该研究首次全面地揭示了人类肠道微生物组中 PT 修饰的多样性和时间动态变化。研究结果表明，5 - 10% 的人类肠道微生物存在 PT 修饰，这些修饰反映了细菌的限制 - 修饰共识序列。PT - seq 技术不仅发现了 LC - MS 未检测到的 PT 共识序列，还揭示了含有 PT 修饰的微生物在肠道微生物组中的分布特征。这一研究为理解 PT 修饰在人类肠道微生物组中的行为提供了重要的基准，对于研究肠道炎症性疾病的发病机制具有重要意义。它为后续深入探究 PT 修饰与肠道疾病之间的关系奠定了坚实的基础，有助于科研人员进一步揭示肠道微生物组在健康和疾病中的作用机制，为开发新的诊断方法和治疗策略提供了新的思路和方向。