每项微生物组研究都会列出物种名称清单。某种细菌在癌症患者体内增多，另一种在老年人群中减少，第三种则在炎症期间激增。物种名称被视为关键的计量单位——至少这曾是研究的基本假设。
一项新分析挑战了这一假设。在单一肠道细菌物种内部，可能存在多个过着不同生活形态的独立谱系。真正与癌症、糖尿病和疾病相关联的，是这些谱系而非物种标签。
当细菌物种隐藏着种群差异
统计肠道细菌的标准方法是将足够相似的个体归为同一物种，再观察该物种在疾病状态下的增减变化。问题在于，共享同一物种名称的细菌可能携带截然不同的适应性特征，在肠道不同区域占据生态位，并对不同选择压力产生响应。
维也纳大学的Xiaoqian Annie Yu及其同事采用名为"逆向生态学"的方法来寻找这些隐藏亚群。该方法从基因组出发进行反向推演，而非从已命名物种列表开始。"若不仅统计物种数量，还将进化适应性纳入考量，就能更准确地识别微生物组中具有生物学意义的单元，"Yu解释道。
扫帚状的基因线索
当一个细菌细胞获得有益突变时，它可能战胜邻近菌株并繁衍出近乎相同的后代集群。这种由遗传印记留下的模式——即全基因组选择性清除——正是研究人员追踪的目标。在细菌基因组的系统发育树上，该模式呈现扫帚形状：细长的柄部连接着紧密簇拥的帚头分支。
研究团队开发了软件流程，在16000多个分离菌株基因组中识别此类扫帚状结构，并利用1477份来自不同国家人群的肠道微生物组调查数据验证每个候选集群。
肠道中的选择性清除现象
此前研究主要在病原体中记录此类清除现象，尚无人将其映射到健康肠道微生物组的日常细菌中。该团队在跨越25个菌科的66个细菌类群中确认了124个选择性清除事件。受影响的谱系大多并非病原体，而是拟杆菌属、梭菌属和毛螺菌属等普通肠道居民。
这些清除现象既出现在频繁基因交换的细菌中，也存在于极少交换的菌株里。选择压力强大到足以推动全基因组取代，即使频繁的基因交流本应阻止这种情况发生。
数十年环游地球的细菌
通过分析分支后积累的突变，可推断每个清除集群的年龄。部分集群可追溯至数百年甚至数千年；26个集群的年龄不足百年。这些较年轻的集群成员已在形成后扩散至各大洲。
病原体是细菌全球传播的经典案例，但常驻肠道细菌通常被认为移动缓慢，主要通过家族和密切接触传播。这项发现颠覆了传统认知。
无关人群间的细菌跳跃
2023年一项研究发现，肠道菌株在无关个体间的传播频率超出随机概率。新研究为这些"旅行者"赋予了明确身份。例如，一种普通拟杆菌的选择性清除集群同时出现在相距遥远的三个群体中：喀麦隆的巴卡族和贝蒂族，以及秘鲁的马特塞族，这些群体彼此并无直接接触。
该集群年龄约100至1000年，最合理的解释是：通过中间人群的长期传播链实现扩散，随后因生活方式改变导致中间群体中的菌株灭绝。
疾病存在于进化分支中
健康数据提供了最明确的证据。团队扫描6783份宏基因组，寻找与结直肠癌、克罗恩病、溃疡性结肠炎、2型糖尿病或高龄相关的清除集群。研究发现178个集群与至少一种疾病条件相关，且许多物种内部不同谱系呈现出相反的作用方向。
普通拟杆菌通过不同谱系与全部五种疾病产生关联，但在物种层面却无显著关联。早期关于肠道细菌与糖尿病的研究曾记录这些看似矛盾的结果——信号其实一直隐藏在谱系差异中。
荚膜与免疫逃逸机制
当研究人员询问每个清除集群特有的基因时，答案反复指向包裹细菌表面的分子。特别是拟杆菌中，荚膜多糖（即细胞外层的糖衣）在集群特异性基因中占比异常突出。
这些糖衣是细菌与人体免疫系统互动的界面。先前研究表明，它们帮助某些拟杆菌物种逃避免疫攻击并调节炎症——这正是病原体赖以生存的结构军备竞赛。虽然这些清除集群与疾病条件相关，但研究尚不能确定它们是驱动疾病还是仅在疾病创造的环境中繁盛。年龄估算存在较大误差范围，应视为粗略估值。
医学研究的范式转变
迄今为止，将某物种标记为风险或保护因素的微生物组研究仅描述了平均效应。相同的拉丁学名可能包含一个致病谱系和一个保护性谱系。"我们的发现表明肠道细菌比先前认为的更具动态性。适应良好的菌株能进行国际传播并占据新的生态位，"该研究资深作者Martin F. Polz指出。
医生在寻找微生物组生物标志物时，可精确到特定清除集群而非仅关注物种。益生菌研发也能针对特定谱系而非整个物种。这些谱系的传播机制——曾被视为病原体特有的现象——正成为医学理解人群健康与疾病的新维度。
该研究发表于《自然》期刊。
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