科研 | PNAS：什么因素决定了细菌是否可以适应人类变化的肠道微生物
编译：Jione、song，编辑：小菌菌、江舜尧。
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过去十年中的研究中显示，肠道菌群是健康状况的重要决定因素。微生物群与宿主生物学特征之间的关联性越来越多，这凸显了对确定为微生物群落功能机制的需求。微生物群的复杂性使得理解微生物群在出生后如何组装，如何适应各种环境扰动，如何维持其宿主的适应性以及他们如何影响宿主生理和病理的各个方面变得复杂，因为微生物群除了包含许多微生物菌中之外，还具有动态的功能，即其遗传和代谢特征以及基因组表达的模式随时间、空间的不同而变化。人类肠道菌群的发育与健康的生长有关，但是了解群落的组装和组成的决定因素是一个巨大的挑战。
研究人员为了解微生物群落的功能机制，从一系列健康婴儿的粪便中培养细菌，在婴儿出生后的6个月中，将包含103、102个基因的34个测序菌株分为两个群体，分别为群落组装的早期和晚期，将两个分组单独或以不同顺序依次引入，或同时引入以人类婴儿配方奶粉喂养的年轻无菌小鼠中。随后对涉及碳水化合物利用，氨基酸和B-维生素生物合成代谢途径进行了计算机模拟重建，然后量化连续收集的粪便样品中菌株的丰度，以显示不同定殖过程的转录反应，使得早期定殖者能够在引入后来定殖者期间存活。
结果显示，在不同定制条件下观察到的细菌菌株适应性模式表明，尽管四个早期成员仍然存在，但后期菌株基本上胜过了早期菌株，且持久性不是由引入顺序决定的。代谢途径的存在和表达与菌株的适应性相关，并且使得早期定殖这能够在后来引入定殖者期间存活。本研究中描述的方法可用于测试不同群落环境中已试别的代谢途径对适应性的影响程度，且本研究可控制群落组装的各种生态过程，并促进微生物定向疗法的发展。
论文ID
原名：Identifying determinants of bacterial fitness in a model of human gut microbial succession
译名：鉴定人类肠道微生物演替模型中细菌适合度的决定因素
期刊：PNAS
IF：9.58
发表时间：2020.1.22
通讯作者：Jeffrey I. Gordon
作者单位：华盛顿大学医学院基因组科学和系统生物学中心＆华盛顿大学医学院肠道微生物组和营养研究中心
实验设计
结果
1 一种可操作的人体肠道微生物演替体内模型
首先从40对双胞胎婴儿粪便中克隆68个细菌菌株的克隆阵列，并对细菌分离物的基因组进行测序。随后通过短读shot弹枪测序对随时间采集的具有五种不同定殖历史的动物的粪便DNA样品进行了菌群分布分析（图1）。图中显示了粪便微生物群中的分数丰度随时间和引入顺序的变化。
不同的定殖条件下细菌菌株适应性模式表明，尽管四个S1成员仍然存在，但S2生物基本上胜过S1生物：博氏梭状芽孢杆菌，无毒梭状芽胞杆菌，大肠埃希氏菌和卡塞尔肠球菌（图1）。因此，定植成功不是由“到达”顺序驱动，而是由适应性差异驱动。在这项针对五种类型的定植处理的初步研究中以及在涉及单独接受S1财团，单独接受S2财团或接受S1并接受S2的小鼠（每处理组5只小鼠）的后续实验中获得的结果表明，殖民化/适应性模式可高度重现。九种分析物（异麦芽糖，葡萄糖酸，葡萄糖醛酸，麦芽糖醇，棉子糖，核黄素，吡哆醛，吡哆胺和烟酸）的相对水平增加反映了自身定殖的作用，而不是群体特异性的作用。
图1 无菌小鼠中的微生物演替
2 确定适合度的决定因素
在灌胃后28天，从所有治疗组的所有动物收集的盲肠成分生成了微生物RNA测序（RNA-Seq）数据集。结果表明，不同生物之间的皮尔逊相关性强度差异很大（r2值范围为0.13至0.98）。
对于特定生物定植条件（MPi x），相对于S1下吉氏类杆菌中代谢途径i的表达，计算给定生物体中每个代谢途径i的“相对表达得分”。并计算了给定生物的一组相对表达得分（图2A），也被称为该生物的“ mcSEED途径相对表达谱”。
此外，在各个菌株的mcSEED途径相对表达谱的矩阵上进行了PCA，以基于其转录谱的相似性来识别沿主成分（特征向量）聚集生物的共变代谢途径。前三个主要成分解释了S1和S2成员物种的mcSEED相对表达谱中75％的变化（图2B）。此外，值得注意的是，给定菌株沿PC1的mcSEED相对表达谱的投影与其适应性（分数丰度）之间存在线性关系（图2C）。
图2 在串联定殖实验中表达与S1和S2成员适应度相关的代谢途径
在所有串联定植实验中，与这两种S2生物体相关的适应性最高的途径。奇异值分解（SVD）是一种，用于将矩阵行的本征谱与矩阵列的本征谱相关的数学技术（图3A）。具体来说，本文倾注的焦点是沿着图3B中第一个右奇异矢量的mcSEED路径/模块投影的正负第十个百分位。通过这18条途径的相对表达分数对菌株进行的等级聚类表明，在所有串联定殖实验中，分别具有最高和次高分数丰度值的两种菌株具有相似的相对途径表达谱，不同来自我们正在评估的其他六个S2和四个S1生物。图3C和D显示了在三个串联定殖条件下由12个生物体组成的18个代谢途径/模块的648个细胞基质。图3D显示了九个mcSEED途径/模块，它们沿着第一个右单数载体（乙醇发酵，BCAA摄取，GalNAc / GalN利用率，L-乳酸发酵，核黄素摄取，泛酸[维生素B5]摄取，色氨酸摄取和塔格糖利用）以及构成预测的第10个百分点的正九个途径（丙酸发酵，硫辛酸合成，钴胺素[B12]生物合成的钴摄取，色氨酸生物合成，葡萄糖酸盐利用，肌醇利用，甲萘醌生物合成，脯氨酸降解和组氨酸降解）。重要的是，在继承模型中，优先级影响似乎最小
粘菌曲霉在系统发育上与吉氏类杆菌不相关，但在每个测试的串联菌落中均显示出第二高的适应性（图2C）。使用黏液曲霉可以概括相对表达分数的模式，与使用假单胞菌作为参考时非常相似，除了以下四个途径：乙醇发酵，泛酸吸收，葡萄糖酸利用和组氨酸降解（比较图3D）。粘液曲霉具有乙醇发酵和泛酸吸收的装置，而假单胞菌则没有。变形假单胞菌包含组氨酸和潜在的葡萄糖酸盐转运蛋白降解的途径，而黏液曲霉则没有（图3D）。
通过在mcSEED相对表达矩阵上执行SVD，每种生物体mcSEED途径相对表达谱沿着三个主要成分的位置由18种代谢途径中的11种决定（图4 B–D）。在所有定植条件下，大肠杆菌的mcSEED途径相对表达谱位于PC1的负极端（图4A）。图4E显示在PCA空间中的该位置对应于在单独的S1定殖中相对于粪肠球菌的BCAA（异亮氨酸/亮氨酸/缬氨酸）摄取，色氨酸生物合成和甲萘醌生物合成所涉及的代谢途径/模块的阳性相对表达分数乳酸发酵途径的健康状况和阴性评分。在所有定植条件下，无核梭菌的mcSEED途径相对表达谱位在PC2的阳性末端（图4A）。这对应于BCAA摄取，色氨酸生物合成和果糖赖氨酸/葡萄糖赖氨酸利用途径的正相对表达得分，而葡萄糖酸酯利用，脂酸盐的生物合成和丙酸产生（发酵）途径的得分为负（图4E）。在所有定植条件下，紫茎线虫的mcSEED代谢途径相对表达谱位于PC3的负极端（图4A）。
图4 在引入S2后存活的S1成员保留了其mcSEED代谢途径表达模
讨论
表征微生物演替的决定因素对于定义如何获得肠道细菌群落组成至关重要。这包括以下方面的理解：
1，微生物引入的顺序在多大程度上决定了组成；
2，什么决定了特定成员物种相对于其他成员的适应性；
3，成员物种如何在肠道生态系统的扰动中生存下来。
本研究描述了一个简化的微生物演替模型，该模型涉及两个定义的培养的，经测序的细菌菌株，分别代表婴儿肠道的早期和后期定植菌株，分别以不同的顺序引入饲喂IF饮食的致癌小鼠中。本实验和计算方法能够将103102个基因的数据集简化为18个代谢途径的低维数据集，这些代谢途径与S1和S2财团成员之间的竞争实验中的细菌适应性相关。S2联盟的成员通常以可复制的方式胜过S1联盟的成员，而与到达顺序无关，这表明在此模型中，优先级的影响不是确定性的。该模型系统可通过确定18个mcSEED代谢途径在其基因组中的表达程度来分析单个S2联盟成员相对于S1联盟成员的优势地位。此外，这些途径及其在四种在三种不同类型的串联定殖处理中存活的S1生物中的表达及其表达，揭示了它们比其他S1菌株更适合（适应）由S2协会创造的环境。
在人类肠道微生物群落内部和之间观察到的大量遗传，转录和代谢变异为肠道微生物群适应不同时间尺度上的不同选择压力提供了“底物”。将肠道群落成员的各种基因组特征和这些特征的表达与群落发展的总体时间模式相关联，是寻求了解继承的决定因素和形式时面临的严峻挑战的关键方面。故意控制细菌菌群成员的能力以及将其引入受体动物的顺序，再结合特征简化方法，为确定基因组变异及基因表达的重要性提供了一条途径，可以确定菌株水平，确定“轨迹”继承”。这种类型的实验和计算方法的输出是适应性决定因素的低维描述。
结论
评论
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