新陳代謝是細菌適應營養環境的關鍵。大腸桿菌作為一種存在于哺乳動物腸道中的常見共生菌，同時也是重要的腸道內(IPEC)和腸道外(ExPEC)致病菌。基于“營養生態位”假說，細菌需要通過利用不同的底物來在其各種棲息地中生長和持續存在。大腸桿菌具有克隆種群結構，包含八個主要的系統發育群(phylogroups)，且系統發育群與生活方式(共生或致病)存在強關聯。已有研究表明代謝譜與系統發育群的關系強于與致病型的關系，但識別與生活方式特異性相關的代謝特征仍具挑戰性。本研究旨在利用一個大規模、特征明確的菌株集合，結合泛基因組分析和代謝通路預測，探索與生活方式和系統發育背景相關的代謝特征，特別是關注主導ExPEC克隆，以期識別可能促進某些克隆成功出現和感染潛力的代謝特性。

研究分析了來自法國、采集時間跨度為2000年至2017年的370株成人共生菌株和1128株腸外致病菌株的基因組。共生菌株來自健康志愿者糞便樣本，致病菌株則來自血流感染(BSI)和呼吸機相關性肺炎患者。所有菌株均通過Illumina平臺進行短讀長測序。利用Pyrodigal等工具對基因組進行注釋，并使用PPanGGOLiN構建泛基因組。通過將泛基因組家族序列比對MetaCyc和EcoCyc等數據庫中的參考序列，建立了基因-蛋白-反應關聯，進而通過Pathway Tools預測代謝通路。采用多元對應分析(MCA)和層次聚類分析代謝譜的差異，并通過比較通路在不同菌群中的頻率來識別特異性通路。針對關鍵的D-阿皮糖降解通路，利用MicroScope平臺、Clinker等工具進行了基因組特征分析，并通過在含有D-阿皮糖的M9基本培養基中的生長實驗進行了功能驗證。此外，還利用AllTheBacteria數據庫進行了大規模的基因簇篩查。

流行病學相關菌株集合及其與生活方式相關的種群遺傳結構

本研究使用的1498個^大腸桿菌基因組涵蓋了八個主要的系統發育群。與共生菌株相比，多個系統發育群在不同感染來源的菌株中存在過代表征或欠表征現象。例如，系統發育群B2在所有來源(除消化道來源外)中都過代表，而系統發育群A在所有來源中都欠代表。與尿液來源菌株相比，共生菌株以及消化道來源和其他來源的菌株顯示出更高的遺傳多樣性，尿液來源的菌株中高達69.15%的菌株屬于前10個最常見的序列類型。這些結果表明，該數據集具有與生活方式相關的種群結構，適合進行代謝關聯性研究。

高基因組及代謝多樣性的菌株集合

分析顯示，該菌株集合在基因家族、反應和代謝通路方面具有高度多樣性。泛基因組是開放性的，而泛反應組和泛代謝通路庫則相對閉合。核心反應和核心通路相較于核心基因更為保守。可變的通路主要涉及“生物合成”和“降解”過程，其中O-抗原生物合成通路是“生物合成”類別中可變通路的主要組成部分。

代謝多樣性主要受系統發育驅動

分析不同來源和系統發育群的基因、反應和通路數量，發現排除尿液來源菌株后，通路數量與基因組數量之間的相關性變得顯著，這表明尿液來源菌株的代謝和基因組多樣性可能較低。多元對應分析表明，代謝多樣性主要由系統發育驅動，而非菌株來源。代謝距離與基于核心基因的遺傳距離之間存在顯著正相關，進一步支持了代謝譜與系統發育背景的緊密聯系。

少數通路區分引起BSI的系統發育群和主要序列類型復合體(STcs)

對出現頻率在5%至95%之間的通路進行層次聚類分析，未發現基于菌株來源的明顯區分，而聚類模式強烈反映了系統發育群分類，系統發育群B2尤其明顯區別于其他類群。在更精細的分辨率上，與BSI相關的主要STcs顯示出特定的代謝特征譜。研究發現，沒有一個通路能夠滿足“在一個群體中出現頻率>80%而在另一個群體中<20%”的條件來區分共生與致病性生活方式。然而，在比較系統發育群時，發現了34個通路在至少一個系統發育群中過代表或欠代表，其中除一個外均與降解過程相關。進一步分析發現，在主要STcs中，STc69(系統發育群D)相比于同系統發育群其他菌株，有三個特異性富集的通路：S-甲基-5'-硫代腺苷降解I、5'-脫氧腺苷降解II和甲醛氧化I。在系統發育群B2的主要ExPEC STcs(STc131, STc73, STc95, STc14)中，發現了13個通路存在特異性存在/缺失模式。值得注意的是，五個通路是STc131和STc14所共有的，且頻率完全相同，這些通路都涉及D-阿皮糖降解，表明這兩個克隆共享了這種特殊的分解代謝能力。這些譜系特異性的代謝能力，例如在STc69中鑒定出的通路可能支持腸外生存，而在B2系統發育群中，克隆特異性通路能夠降解植物來源的化合物，可能通過利用定義生態位的營養物質促進腸道定植。

D-阿皮糖降解通路被發現是STc131和STc14這兩個近期大流行克隆核心的代謝特征。對完整基因組的篩查證實，該通路存在于100%的STc131和STc14菌株中，也存在于部分^{費格森埃希菌}中。基因簇比較顯示，^大腸桿菌中的基因簇缺少D-阿皮糖異構酶基因(apsI)，但包含兩個編碼假定氧化還原酶的CDS，推測在功能上替代了apsI。在所有情況下，該基因簇都位于腸桿菌素生物合成基因的下游。對該基因簇的系統發育分析顯示，與^大腸桿菌系統發育群B2的核心基因系統發育高度一致，表明其在這些譜系中的獲得是古老的。大規模的數據庫篩查顯示，該通路廣泛存在于多種環境或植物相關細菌屬中，但在^埃希菌屬中，其主要存在于STc131和STc14中。生長實驗證實，攜帶該基因簇的菌株能以D-阿皮糖為唯一碳源生長，驗證了其功能。綜合來看，這些數據證明了D-阿皮糖降解通路在STc131和STc14中的特異性和功能性存在。在B2系統發育群內及主要STc131分支間觀察到的強系統發育一致性，支持了該通路在B2菌群出現早期即被獲得，隨后在其他B2菌株中多次丟失的假說。此外，該通路在^{費格森埃希菌}中的中間頻率及側翼核心基因的系統發育分析，暗示了可能存在通過種間同源重組發生的水平基因轉移事件。

本研究通過分析特征明確的共生菌株和引起嚴重腸外感染的^大腸桿菌菌株代謝通路，未發現嚴格與致病性或BSI入侵門戶相關的特異性通路。核心發現是代謝譜主要受系統發育影響，這與該物種的克隆結構及系統發育背景與生活方式的緊密聯系相一致。然而，研究發現了一些與主要BSI相關克隆特異性相關的代謝特征。在STc69中發現的S-甲基-5'-硫代腺苷降解I和5'-脫氧腺苷降解II等通路，可能有助于在尿液和血液等腸外環境中回收利用5'-脫氧核苷，支持ExPEC的生長。而在系統發育群B2的主要克隆中，多數特異性通路涉及植物來源化合物的降解，包括STc131中的3-(3-羥基苯基)丙酸降解、STc73中的果膠降解、STc14中的磺基喹諾糖基二酰基甘油降解以及STc131和STc14共有的D-阿皮糖降解。這些發現暗示此類通路可能為這些成功克隆提供生態優勢。D-阿皮糖降解通路是植物細胞壁的關鍵成分，其功能在^大腸桿菌中得到實驗驗證，其高度特異性的分布提示其可能為STc131和STc14在腸道生態位中提供獨特的營養利用優勢，從而可能促進其定植和傳播。本研究的局限性包括數據集未涵蓋^大腸桿菌的全部多樣性、基于基因組的通路預測可能存在偏差、無法評估轉錄或轉錄后水平的代謝變異，以及未考慮可能影響酶效率的等位基因變異。總之，研究揭示了^大腸桿菌代謝中深刻的系統發育印記，并強調了譜系特異性代謝能力在主要ExPEC克隆的生態成功和全球傳播中的潛在作用。