口腔微生物组中发现新型巨型染色体外元件"Inocle"：增强细菌适应性并与癌症免疫相关

研究人员针对人类口腔微生物组中染色体外元件(ECEs)的遗传多样性和功能角色未知的问题，通过开发新型DNA提取方法结合长读长宏基因组组装，首次发现了一类名为"Inocle"的巨型质粒样环状基因组元件（平均长度352kb）。该元件在74%人群的口腔链球菌中普遍存在，编码氧化应激耐受、DNA损伤修复及细胞壁生物合成相关基因，显著提升宿主细菌适应性。尤为重要的是，Inocle-α与外周血B细胞显著正相关，在头颈癌和结直肠癌患者中丰度显著降低，或成为新型癌症生物标志物。这项发表于《Nature Communications》的研究为理解微生物-宿主互作提供了新视角。

　　

人类口腔是一个充满挑战的微环境，细菌需要应对营养竞争、抗生素压力和宿主免疫攻击等多重胁迫。传统认知中，细菌通过染色体基因变异或已知的移动遗传元件（如质粒）获得适应性，但约90%的口腔微生物DNA尚未被充分解析。东京大学前沿科学研究生院的研究团队发现，现有技术因人类DNA污染和短读长测序限制，可能遗漏了关键的遗传元件。

为解决这一难题，研究人员开发了"preNuc"预处理技术，通过核酸酶处理将唾液样本中人源DNA比例从90%降至40%，结合牛津纳米孔PromethION测序平台，获得N50达12.5kb的长读长数据。通过对46名日本受试者唾液样本的宏基因组组装，发现了一类未被记录的遗传元件集群Cluster_0001。这些平均长度352kb的环状结构含有大量插入序列(ISs)和未知功能基因，被命名为"Inocle"（Insertion sequence encoded; oral origin; circle genomic structure）。

关键技术包括：1) preNuc法去除人源DNA；2) 长读长宏基因组组装识别Inocle；3) 保守基因InoC标记的全球流行率分析；4) 单细胞RNA测序和血浆蛋白质组关联分析；5) 头颈癌患者队列验证。

主要结果

发现未被识别的ECEs

通过6852个未分类contig的聚类分析，Cluster_0001以最高丰度和流行度脱颖而出。13个contig均显示均匀测序深度和环形拓扑特征，GC偏斜分析证实其具有复制起点和终点。

Inocle标记基因的发现

保守基因InoC（含PF13814结构域）的鉴定使得从日本、印尼和泰国样本中额外发现16个环形contig，最终获得29个完整Inocle序列。系统发育分析将其分为α、β、γ、δ四个类群，其中α类群在工业化国家占主导（57%），而β类群在非工业化地区更常见。

Inocles是链球菌的巨型质粒样元件

通过0.45μm过滤实验证实Inocles位于细菌细胞内。从唾液分离的3株携带Inocle_004的链球菌经鉴定均为Streptococcus salivarius。四核苷酸频率和密码子使用模式显示Inocles与已知链球菌质粒显著不同，但均携带接合转移必需的VirB4/VirD4基因。

功能特征分析

1619个蛋白家族中，20%与细胞壁/膜相关，包括：1) 双功能转糖基酶（参与肽聚糖合成）；2) 含LPXTG模体的表面蛋白（由sortase A锚定）；3) 应激响应蛋白如RpoS和NrdH。DNA损伤修复通路基因（RecD解旋酶、DNA聚合酶III等）的转录活性在唾液宏转录组中得到验证。

与人类生理的关联

单细胞RNA测序显示Inocle-α与记忆B细胞显著正相关（rho=0.42），与CD16⁺单核细胞负相关（rho=-0.60）。血浆蛋白质组分析发现Inocle-α阳性个体中，B细胞受体信号通路和病原体感染响应通路显著富集。在45例头颈癌患者中，Inocle-α流行率从健康对照的60%降至27%（p=0.001），结直肠癌患者也呈现类似趋势，但在胰腺癌中未观察到显著变化。

这项研究揭示了口腔微生物适应环境胁迫的新机制——通过巨型ECEs实现功能冗余和基因扩展。Inocles不仅增强了链球菌在氧化应激等恶劣条件下的生存能力，其与宿主免疫系统的独特互作模式更为癌症早期诊断提供了潜在新靶点。该发现突破了现有质粒数据库的认知边界，为探索微生物-宿主共进化开辟了新途径。