染色体外遗传元件（Chromids）的未探索多样性及其在细菌代谢与抗病毒防御中的关键作用

这篇研究通过开发Chromid-Finder工作流程，系统鉴定了36,322个细菌基因组中的1,104个携带染色体外遗传元件（chromids）的菌株，揭示其广泛分布于8个门类且与宿主年龄、健康状况及地理分布显著相关。研究发现chromids平均尺寸大于传统“巨型质粒”（megaplasmids），可独立编码呼吸链酶复合体（如NADH脱氢酶、细胞色素c氧化酶）和抗病毒系统（如CRISPR-Cas），显著增强细菌环境适应力。该工具在人类肠道宏基因组（MAGs）分析中表现优异，为微生物组功能研究提供了新范式。

　　

染色体外遗传元件的全球分布与结构特征

研究团队通过自主研发的工作流程，从NCBI RefSeq数据库的36,322个完整细菌基因组中筛选出1,104个携带chromids的菌株，覆盖8个门类和73个属。这些chromids平均长度达1.98 Mb，显著超过传统定义的megaplasmids（阈值0.35 Mb）。有趣的是，蓝藻门（Cyanobacteriota）的Pseudanabaena galeata甚至携带4个chromids，而Azospirillum属细菌则呈现1-3个chromids的连续变异，暗示质粒向chromids的进化过渡。

呼吸链与能量代谢的“隐形推手”

chromids被首次证实直接参与细菌呼吸链的构建。在Burkholderia pseudomallei中，chromids编码的细胞色素c氧化酶亚基（coxA/B/C/D）与染色体基因协同形成完整电子传递链。对5个代表性菌株的分析显示，52.1%的chromids能独立编码呼吸链复合体（如NADH脱氢酶），而42.1%则补充染色体功能缺陷。这种模块化设计使细菌能灵活适应极端环境。

抗病毒防御的“第二战线”

通过Defense-Finder系统分析发现，chromids携带的抗病毒系统密度（0.644个/Mbp）虽低于染色体（1.147个/Mbp），但具有独特分布模式。Prevotella fusca的chromid编码II-C型CRISPR-Cas系统（含Cas1/Cas9），其11个间隔子靶向Caudoviricetes和Microviridae噬菌体，填补了染色体防御空白。值得注意的是，chromids同时共享染色体和质粒的特异性抗病毒基因，支持其作为“中间型”复制子的进化假说。

Chromid-Finder工具的创新应用

针对宏基因组数据开发的Chromid-Finder采用四步聚类策略：基于GC含量（±1%差异）、DnaA同源基因筛选、四核苷酸相对丰度距离（阈值1.6）等参数，在测试数据集中召回率达89.68%。应用该工具分析92,143个人类肠道MAGs发现，健康宿主中chromids携带菌丰度更高（P<0.001），而抗生素使用会显著抑制其分布。地理差异分析显示亚洲人群携带率显著高于南美洲（标准化残差>2），2型糖尿病（T2D）患者则呈现特异性富集。

功能差异与生态意义

ALDEx2分析揭示，携带chromids的菌株在RNA代谢和翻译相关基因上显著富集（效应值>0.2）。如Mycoplasmatota门细菌通过chromids获得鞭毛基因簇，增强运动能力以适应水生环境。这种功能分化在门级水平上呈现明显分离（ANOSIM R=0.42），印证了chromids作为环境适应“基因工具箱”的假说。

这项研究不仅建立了chromids的系统鉴定方法，更揭示了其在细菌基础生命活动中的核心作用，为理解微生物环境适应机制和宿主-菌群互作提供了新视角。Chromid-Finder的开源发布将推动微生物组学、合成生物学等领域的创新发展。