科學家發現遍存於人體腸道的噬菌體

2014-08-06 15:13:00　來源: 福布斯中文網(上海)　有0人參與

只有在出生前，你才是徹頭徹尾的人類。在出生後，來自外界的微生物就會佔領你身體的生態系統，它們的數量是組成你身體的37萬億個人類細胞的10倍左右。

在過去十年里，科學家們一直在研究體表和體內微生物對人類健康的影響。為什麼有些微生物使我們生病，而另一些卻可以保護我們免受病原體的侵襲？

研究人員並沒有試圖在實驗室里培養每種微生物並讀取它們的DNA序列以測出一個完整基因組，而是採用了一種更加經濟的方法：從一個地方（例如腸道）收集樣本，切開所有的DNA，然後讀取短片段。這樣做得到的就是「宏基因組」，即從整個微生物群落收集的基因物質。

宏基因組分析方法能夠以較低成本產生大量數據。第一階段的人類微生物組計劃（Human Microbiome Project）耗資1.7億美元的，對242位美國成年人身體上的五個地方（口、鼻、皮膚、泌尿生殖道和胃腸道）進行了微生物樣本收集。除了揭示已知微生物的秘密以外，深入挖掘宏基因組的信息還能讓我們發現未知的微生物，例如這種新發現的名為crAssphage的病毒。

crAssphage病毒是一種噬菌體，會感染類桿菌。人類腸道菌群中大部分都是類桿菌，它們既有好處也有壞處。大多數時候，人類與類桿菌的關係是互惠互利的：我們為它們提供了一個棲息之所，它們則幫助我們消化食物。但它們也會產生危害，與糖尿病和肥胖症等身體疾病有關。會產生腸毒素的脆弱類桿菌則與結直腸癌有關。因此以類桿菌為獵物的crAssphage可能有助於我們保持健康。

crAssphage由荷蘭內梅亨大學（Radboud University）醫學中心的生物信息學家巴斯·杜提爾（Bas Dutilh）博士發現，他根據排泄物中的DNA片段重建了這種病毒的基因組。在命名時，進行詞語組合和將首字母大寫是常規做法，而杜提爾為了組裝該病毒基因組而開發的計算機工具名為crAss（cross Assembly，意即交叉組裝）。他在接受《福布斯》採訪時表示，該病毒的命名並不是受到其出處的啟發。

「起初，我們沒有給它命名，只是將之稱為 新病毒 。」杜提爾說。他接著說道，審核其研究論文的一位科學家建議給該病毒命名。「於是我想到，噢，好吧，或許我可以利用這個機會來宣傳我的計算機工具。crAssphage這個名稱基本上就是這樣來的。」

重建crAssphage的基因組絕非易事，因為一個宏基因組中囊括了整個微生物群落的DNA片段。可以把一個宏基因組想像成一個盒子，裡面裝滿幾百幅不同拼圖的碎片。已知微生物的基因組可以利用其近緣種作為指導來進行組裝，就像看著拼圖盒上的圖片「按圖索驥」，但對於未知微生物又該如何處理呢？

杜提爾的計算機工具通過探測同一個宏基因組內具有同等富集性的DNA片段，從而將特定基因組拼接復原。打個比方，你在不同盒子里找到了具有相同特異性形狀的拼圖碎片，只不過A盒中有10個這樣的碎片，而B盒中有100個。由於這些特異性碎片具有「聯合富集性」，因此它們可能是同一張拼圖的組成部分。

杜提爾與聖地亞哥州立大學的研究人員合作，利用他的crAss軟體來分析12個人排泄物中的宏基因組，找到了可以組合成為一個基因組的一組特異性DNA片段。隨後研究人員又對12個排泄物樣本中的一個進行了DNA測試，證實了crAssphage的存在。

然後，研究人員搜索公共DNA資料庫，發現在來自美國、歐洲和韓國的466個排泄物宏基因組中，73%都有該病毒的身影。這種廣泛的分布表明，crAssphage存在於全球四分之三人口的體內，意味著現在可能有數萬億個病毒生活在你的腸道里。

我們對crAssphage的了解不是很多。它非常小，無法在光學顯微鏡下看到，但無疑擁有角狀頭部、尾部和「腳」，這是噬菌體的典型特徵。其基因組的長度為97,000個鹼基對，DNA圖譜顯示，該病毒擁有80個基因，其中只有一半是已知基因序列。有些基因編碼了可以操縱宿主DNA生成機制的結構蛋白和分子，預計還有幾個基因編碼了附著於類桿菌的蛋白。

杜提爾和他的協作者們找到了crAssphage感染類桿菌的幾個證據。寄生物需要宿主，因此你可以預料到噬菌體和細菌之間的數量關係。將crAssphage病毒DNA的富集性與來自人類微生物組計劃的151個宏基因組菌群進行比較就會發現，crAssphage數量和類桿菌DNA數量之間呈明顯相關關係。研究人員在包含3,000個細菌基因組的資料庫中搜索CRISPR序列（細菌免疫系統里記錄入侵病毒DNA片段的機制，就像抗體匹配抗原一樣），類桿菌是排在最前面的搜索結果。

除了控制健康人體內的腸道細菌以外，crAssphage可能有一天會被用來對抗疾病。例如，你可以把這種專門以脆弱類桿菌中的致病性菌群為目標的病毒分離出來。經過基因工程改造的crAssphage可以在治療中作為「噬菌體載體」用來輸送藥物或者維生素。

目前，宏基因組研究都主要聚焦於細菌，病毒一直遭到忽視，部分原因在於科學界認為它們的DNA演化過於迅速，因而難以檢測到。但crAssphage告訴我們，病毒也可以大量存在，並因此在微生物群落中扮演重要角色。

「我們的腸道細菌組成了一個龐大的生態系統。」杜提爾說，「但想要了解那個系統，必須了解病毒。」

譯 于波 校 丁盈幸

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