科研 | Nature子刊：炎症性肠病(IBD)肠道微生物组的转录动力学
本文由Queena编译，董小橙、江舜尧编辑。
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IBD患者的肠道微生物菌群失调，包括α多样性普遍降低与进化枝特异性富集和消耗。然而，微生物分类学特征在患者中可能高度不同，难以确定与疾病发作和进展相关的特定的微生物物种或菌株。
多数此类研究结果均基于来自横断面队列的样本，还需要进行纵向研究以探索个体患者肠道微生物组的变化。实际上，肠道微生物组成在个体中随时间变化，并且这种变化在IBD患者中可能更明显。在IBD中，宏基因组功能预测与已实现的功能活性（基因表达或其他分子产物，如蛋白质或代谢物）之间的联系几乎完全未被探索。
尽管肠道微生物组的整体功能预测相对于分类学组成趋于稳定，但它可以随时间和表型而变化。例如，产生短链脂肪酸（SCFA）的细菌在IBD中减少。此外，氧化应激途径的增加，以及碳水化合物代谢和氨基酸生物合成的减少，这些变化影响着不同个体的多个潜在分类群。功能途径的变化也会影响这分类群。值得注意的是，微生物的功能预测（即，在其基因组中编码的基因和途径）仅提供功能活跃水平或程度的间接信息。这种功能活性的检测对于理解与肠道微生物失调和异常免疫反应相关的机制至关重要，迄今为止，这些机制仍然是未知的。
本文通过对微生物群落结构和功能的元转录和宏基因组谱的综合分析，可以获得对微生物群落动态的重要见解。这种方法将有助于更好地了解肠道微生物异常的潜在机制及其在IBD中的作用。
论文ID
原名：Dynamics of metatranscription in the inflammatory bowel disease gut microbiome
译名：炎症性肠病(IBD)肠道微生物组的转录动力学
期刊：Nature microbiology
IF：14.174
发表时间：2018年
通信作者：Ramnik J. Xavier和Curtis Huttenhower
通信作者单位：麻省理工学院和哈佛学院(The Broad Institute of MIT and Harvard)
实验设计
实验设计流程图 实验内容
1、纵向IBD患者队列使用宏基因组和元转录组测序进行分析
参与者在1年内，每两周提供一次粪便样本用于鸟枪宏基因组和元转录组测序。在产生的结果数据集中，我们分析了78个成对的宏基因组/元转录组数据和来自117位参与者（59个CD患者，34个UC和24个非IBD对照）的另外222个宏基因组（图1a）。这些数据集产生了肠道微生物群落组成（分类学），功能预测和功能活性的高分辨率结果。
与先前的研究一致，从宏基因组数据推断的微生物组成的分类学变化占据了显著的显示出了三种表型之间的分离（图1b）。纵向个体研究进一步强调微生物群落组成的变化主要受个体间效应的影响，因为来自同一受试者的样本聚集。
2、个人间和个人内微生物物种的动态模式。
个体内稳定性是指仅在个体或部分患者中存在的物种，并且是永久存在（补充图2b）。这些物种的相对丰度在一年中通常保持相对稳定。这些患者特异性微生物中，有几种属于拟杆菌属，表明这些密切相关的微生物可以在不同的患者中起到相似的作用。
相比之下，许多微生物普遍以高丰度存在于患者中（1-10％），包括F. prausnitzii和B. vulgatus，这是2种与肠道炎症和IBD有关的物种（补充图2c）。无论疾病表型如何，它们存在于所有患者中，表明它们的丰度或转录活性而不是存在/不存在，在肠道炎症中起作用。
最后，一些物种个人间和个体内发生变异模式，随着时间的推移，间歇性地消失并再次出现（补充图2d）。其中包括主要的IBD相关微生物，如Ruminococcus gnavus和Roseburia intestinalis，表明不仅在患者之间存在分类学上的变异性，而且在患者体内随时间变化也会出现这种变异性。
3、功能预测通常但不总是与肠道微生物组的元转录组水平成比例
对比菌群的功能预测和功能活性发现，在微生物基因组DNA库中贡献更多途径拷贝的物种（即宏基因组更丰富的物种）也倾向于贡献更多途径转录本（图2a）。此外，在宏基因组丰度高的物种中，DNA和RNA水平的平均途径丰度在样品间相关性良好。在Parabacteroides merdae中，这种相关性特别强（Spearman r = 0.85；图2b）。如此强的相关性表明P. merdae的总转录本丰度在样品间相对恒定，因此，在样品中，P.merdae的基数越大（即宏基因组相对丰度越高），那么其在总转录本中的比例也随之增加。但是，这种相关性在D.invisus是相反的结果。虽然D. invisus的平均DNA丰度与P. merdae的平均DNA丰度相当，但在元转录的数据中基本上不存在D. invisus（补充图3a）。这表明D. invisus没有在胃肠道中激活转录。宏基因组水平相似的物种之间转录水平的显著差异强调了同时测定功能预测和功能活性的重要性。
F.prausnitzii表现出第三种不同的行为模式：尽管在两种数据类型中均达到平均丰度，但样品间的总DNA和RNA丰度的相关性较差（图2c）。F. prausnitzii是一种已知的产丁酸盐的物种。之前的研究发现IBD患者中的F.prausnitzii物种丰度减少。尽管在长期的IBD疗程中，F. prausnitzii在IBD患者中保持相当稳定的丰度（补充图2c），但是宏转录组的数据表明该物种的宏基因组丰度不能预测其相对转录活性（图2c）。
4、疾病特异性的微生物功能活性差异
在IBD表型（UC或CD）和非IBD对照中，如果生态失调是物种的平均途径贡献率的转变，则物种可以是在DNA水平，RNA水平或两者，以及在任何方向的组合上的转变。图2d总结了变异度最大的七个物种（完整列表参见补充表1）。其中，2个物种在功能活性上的失调比其功能预测的失调更明显。R. gnavus在RNA水平上的生态失调最明显，在DNA丰度增加（约一个数量级）较小的背景下，CD和UC患者与非IBD对照（约三个数量级）相比，R. gnavus的RNA丰度大大增加。因此，R. gnavus丰度的微小变化可能比之前假设的更重要。
与RNA相比，在DNA中差异最大的2个物种是梭菌（Clostridium symbiosum）和拟杆菌（Bacteroides faecis）。虽然已有的研究认为两种IBD亚型的生态失调是一致的，但情况并非总是如此。例如，UC患者中的脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）DNA含量低于非IBD对照组，而CD患者中的B. fragilis则更为丰富。相反，CD患者和非IBD对照组的平均RNA丰度相似，但UC患者的RNA丰度显著降低。此外，许多物种的总体表达在疾病表型上相近，例如DNA和RNA途径丰度相似（图2e）。因此，这些生物不太可能在疾病发作和进展中起作用。
5、对比代谢功能预测和功能活性
利用α多样性的贡献性使我们能够区分由单个或少数微生物贡献的代表特定代谢过程的途径，和由多种微生物贡献的代表更基本的代谢过程的途径（图3a）。DNA和RNA转录谱中差异最大的物种包括4种拟杆菌属（B. vulgatus，B. uniformis，B. ovatus和B. xylanisolvens），F. prausnitzii，Parabacteroides distasonis和A. putredinis（图3b）。例如，F. prausnitzii的DNA-RNA差异程度最高，并且所贡献的途径数量也是最高的。F. prausnitzii支配的转录途径之一是dTDP-1-鼠李糖生物合成I（图3c）。该途径产生的deoxysugarβ-l- rhamnopyranose作为O-抗原的聚糖组分的基本要素，其是免疫系统的主要靶标和许多疫苗开发研究的目标。
6、疾病特异性的微生物转录特征
信号途径在编码与转录之间的差异，在A. putredinis和B. vulgatus的途径贡献中特别明显，并且这些转录效应与疾病相关（图4）。A. putredinis在其所有途径中的功能预测和功能活性的差异最高（图3b）。例如，由A. putredinis过度转录的甲基赤藓糖醇磷酸酯（MEP）途径（图4a）。该途径的产物，异戊烯二磷酸（IPP），被生物体用于萜烯和萜类化合物的生物合成，萜类化合物是一组天然产物，其已被越来越多地用于药物开发，特别是用于癌症的药物开发。
最后，在患者跟访的时间过程中，疾病相关的转录效应变得明显。例如，一名CD患者（图4b）的DNA水平上，所有微生物物种对MEP途径的贡献比例恒定。然而，在RNA数据中，在时间点1和时间点3时，A. putredinis单独调控MEP途径的转录；在时间点2和4时，B. vulgatus调控MEP途径的转录活性。这个例子强调了在个体患者中检测元转录组随时间变化的重要性。
进一步研究IBD患者的疾病相关的转录变化发现，最显著的IBD特异性转录变化是B. vulgatus（图4c）。更具体地说，在非IBD患者中，大多数B. vulgatus途径更多地是在DNA水平上富集，但是在UC和CD患者中，这些途径的RNA水平显著富集（图4d）。表明B.vulgatus在IBD患者中遵循不同的转录程序，可能由肠道疾病特异性环境变化（例如炎症或氧水平升高）引发的。
讨论
我们的研究结果强调，通过元转录组学直接测量肠道微生物组的功能活性揭示了在宏基因组的功能预测不全面。对于某些途径，主要转录的微生物是在混合宏基因组的背景下鉴定的。几个典型的例子，例如F. prausnitzii，B. vulgatus或A. putredinis，它们通常在IBD中调控途径的转录，即使它们不是样品中DNA最丰富的生物体。此外，一些物种在IBD中的表达谱发生改变。
例如，特定途径的微生物基因组贡献随时间保持稳定的情况，而相应的表达模式随疾病严重程度而变化。因此，影响疾病进展和严重程度的微生物异常生长可能与其他稳定的微生物群的转录程序的变化在机理上相关，因此使得元转录组分析成为理解这种机制的重要工具。
宏基因组学和元转录组学可以为理解微生物群的相互作用和疾病特异性的改变提供互补性的见解，这在IBD肠道微生物群中得到证实。特别是，肠道环境中与疾病相关的变化可能特异性影响个体间不同器官和途径中的微生物表达模式，并且在某些情况下不会改变宏基因组测定的功能预测。为了理解微生物生态失调与异常免疫反应之间的潜在机制，需要研究个体微生物的行为以及整个肠道群体的疾病变化。此外，疾病引起的特异性变化可能是患者特异性的，患者肠道中的特定微生物可能对环境变化的反应不同，从而导致不同的短期表达模式。因此，纵向的，多学科，以患者为中心的研究将为了解微生物组相关疾病及其在个性化医疗中的作用提供重要作用。
评 论
本文引入元转录组和宏基因组谱的综合分析，可以获得对微生物群落动态的重要见解。值得相关专业人士参考。