傅静远等Cell重大突破：人间4年，菌界几朝？(附2600字专访) | 热心肠日报
今天是第1782期日报。
今天日报的头条，我们特别报道荷兰格罗宁根大学傅静远教授团队与合作者，在国际著名学术期刊 Cell 发表的题为 The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome 的最新研究。该研究特别从人肠道菌群的基因组成（genetic makeup）的角度，系统性地分析了间隔 4 年的肠道菌群的变化、稳定性和个体特异性，基于此建立了一种能准确识别宿主个体的菌群“指纹”，并深入挖掘了菌群、代谢物和宿主表型之间的关系。我们特别附上对该研究共同通讯作者傅静远教授的专访，以飨读者。
傅静远等Cell突破：从菌群基因层面，深挖人肠道菌群“指纹”和影响健康的机制
Cell[IF:38.637]
① 分析338人间隔4年的肠道菌群，发现菌群的物种组成、代谢通路和基因组成存在一定的个体内变化和长期稳定性，多样性较高的菌群有较高的稳定性；② 不同微生物物种的基因稳定性有差异，基于高个体特异性和稳定性的微生物基因组成特征构建菌群“指纹”，在2个队列中均能准确判断不同菌群样本是否来自同一人；③ 鉴定出190个纵向的微生物-宿主表型关联和519个微生物-血浆代谢物关联，主要涉及心血管代谢特征、维生素B和尿毒素，菌群可通过血浆代谢物影响宿主表型；④ 菌群的抗生素耐药性随时间增加，或与吃肉和养殖业抗生素使用有关。
The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome
04-09, doi: 10.1016/j.cell.2021.03.024
【主编评语】肠道菌群伴随人的一生而改变，菌群的基因组成也处于动态的变化中，但相关研究还很缺乏。此外，尽管许多横断面研究报道了大量的菌群-宿主表型关联，但这些关联仍需在长期的纵向队列中进行评估。为解决这些问题，荷兰格罗宁根大学傅静远团队与合作者在Cell发表的一项最新研究中，对Lifelines-DEEP队列中的338人间隔4年的肠道菌群进行了系统性分析，特别从菌群的基因组成的层面，深入探索了肠道菌群随时间的变化、稳定性和个体特异性，首次建立了主要基于菌群基因组成特征（SNP和SV）的菌群“指纹”，能准确判断不同时间点的菌群样本是否属于同一人。该研究进一步分析了菌群与51个人体表型和1183个血浆代谢物之间随时间变化的纵向关联，并通过中介分析探究了三者的因果性关系，挖掘出特定微生物在心血管代谢疾病中的潜在作用机制。该研究还评估了抗生素耐药和毒力因子基因在肠道菌群中的纵向变化，及其背后的可能原因。不论是在方法创新还是研究发现的信息量上，这项研究都非常值得专业人士关注！（@mildbreeze）
问：祝贺傅老师与团队的这项重要工作在 Cell 发表！可否请您先介绍一下这项研究的由来和团队成员的分工？
答：我们团队于 2012 年开始 Lifelines-DEEP 队列的粪便采样，开展肠道菌群研究，2016 年首先在 Science 上发表了横断面的肠道菌群与宿主健康、生活习惯及环境的关联研究。
同时我们也意识到，肠道菌群会随着时间的推移、环境的变化和宿主健康的发展也产生变化。利用这种变化的信息，纵向队列研究可以对菌群-环境-健康之间的因果关系提供证据。但是，对于成年人而言，在一定时间内健康与环境因素相对稳定，因此纵向队列的研究不得不需要比较长的时间才能看到变化。目前，长期纵向队列研究目前还比较稀少。
借助于我们 Lifelines 队列的长期跟踪性，我们对 Lifelines-DEEP 队列中随机 338 名个体进行了 4 年后跟踪采样，从而完成了此次研究。
Lifelines-DEEP 的肠道菌群研究由我和 Alexandra Zhernakova 教授共同领导，我偏重于代谢和多组学联合分析，而 Zhernakova 教授更偏重于免疫和宿主遗传分析。这次研究工作由两位来自中国的，非常优秀的博士生共同完成，担任共同第一作者。陈连民同学主要负责 SNP 和代谢的分析，而王道明同学则负责了菌群的结构变异的分析。
问：您们这项研究可谓工作量和信息量巨大。可否请您从研究者的角度，介绍一下这项研究的主要亮点和突破？对于未来的肠道菌群研究以及大众百姓的现实生活，有哪些启示和借鉴意义？
问：这项研究中报道的菌群“指纹”，可能有哪些应用价值和潜在的问题？
问：这项研究中揭示了大量的菌群特征与血液代谢物和宿主健康表型之间的关联，并表明代谢物可能在菌群对宿主的影响中起重要介导作用。可否请您举例介绍其中几个有意思的发现？
问：请问您觉得与目前常用的基于菌群物种和代谢功能/通路的分析方法相比，这项研究中采用的基于菌群基因组成（如 SNP 和 SV）的分析方法，在研究菌群动态变化及其与宿主疾病的关系和机制方面，有哪些相同和不同之处？又有哪些优势和劣势？
问：可否请您简单介绍一下您和团队未来的研究方向？
（采访完，以下是今天日报的其他内容）
Nature子刊：房刚团队报道检测细菌DNA甲基化新方法，助力菌群研究
Nature Methods[IF:30.822]
① 现有的针对CpG 5mC（或少量具体序列）的纳米孔测序检测方法无法有效的检测细菌中常见的三种DNA甲基化；② NanoDisco同时解决了利用纳米孔测序全新发现DNA甲基化基序遇到的两个根本问题：识别出甲基化类型和找到基序中具体被甲基化的碱基；③ 新方法有效处理PacBio测序和纳米孔测序的一些本质区别，从而实现利用三种甲基化 (6mA, 4mC, 5mC) 更好地区分菌群中不同的细菌、关联可移动原件和其宿主、以及检测宏基因组组装中的错误。
Discovering multiple types of DNA methylation from bacteria and microbiome using nanopore sequencing
04-05, doi: 10.1038/s41592-021-01109-3
【主编评语】美国纽约西奈山医学院房刚课题组在Nature Methods发表文章，从各种各样的细菌物种中生成了一个训练数据集，并开发了一种名nanodisco的新方法，利用纳米孔测序同时检测多种细菌DNA甲基化基序，并利用细菌DNA甲基化多样性增强菌群分析分辨率。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）
简化宏基因组测序实现菌株水平物种分类
Microbiome[IF:11.607]
① 本文R包用于分析简化宏基因组测序(RMS)数据，基于片段聚类和使用约束的普通最小二乘反卷积来估计所有菌群的相对丰度；② 模拟群落数据集显示，即使16S 100%相同，且全基因组差异< 0.02，也具有清晰的分离菌株的潜力，这表明RMS具有非常高的分辨率；③ 作者比较了RMS和鸟枪测序，发现当群落中有许多非常密切相关的基因组时，得到了更好的丰度估计；④ 由婴儿肠道的真实数据集表明RMS能够检测大肠杆菌随时间变化的菌株多样性梯度。
Reduced metagenome sequencing for strain-resolution taxonomic profiles
03-29, doi: 10.1186/s40168-021-01019-8
【主编评语】作为全鸟枪测序的替代方法，作者研究了使用简化宏基因组测序（RMS）方法来评估菌群组成的方法。这涉及使用双重消化的限制性相关DNA测序，这意味着仅对较小部分的基因组进行了测序。通过这种方法获得的读长集具有与扩增子和鸟枪法数据不同的特性，作者在 https://github.com/larssnip/microRMS 上以R包的形式提供了一个数据分析流程。作者发现，在菌株水平上解析菌群时，RMS是宏条形码或鸟枪测序的良好替代方案。像鸟枪宏基因组学一样，它需要一个良好的基因组参考数据库，非常适合研究人类肠道或存在许多参考基因组的其他菌群。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）
Science子刊：无创测定胃肠道内的胆盐水解酶活性的新方法
Science Advances[IF:13.116]
① 开发一种基于超灵敏生物发光成像的方法，采用合成的 “胆盐水解酶（BSH）活化的萤光素”探针，能快速、低成本地测定BSH活性；② 该方法可测量多种样本（如酶、细菌、粪便）的BSH活性，还能用于活体动物的实时无创成像，以及评估小鼠和人整个胃肠道中的BSH活性；③ 该方法可用于益生菌的体内筛选、评估特定益生元对肠道菌群BSH活性的影响、对炎症性肠病患者的临床状态进行无创诊断等。
Noninvasive imaging and quantification of bile salt hydrolase activity: From bacteria to humans
02-03, doi: 10.1126/sciadv.aaz9857
【主编评语】肠道菌群的胆盐水解酶（BSH）在人类健康中有重要作用，但由于缺少测量其活性的测量方法，人们对BSH的功能研究受到了限制。Science Advances近期发表一项方法学研究，报道了一种能在多种生物学样本和情境下测定BSH活性的方法，在益生菌和益生元研究以及临床诊断等方面具有应用前景。（@mildbreeze）
Nature子刊：基于生态学的算法，预测人肠道微生物间的互养作用
Nature Communications[IF:12.121]
① GutCP是一种基于生态学的计算方法，结合了机器学习技术和微生物组生态学模型，能用于推断和预测人肠道菌群中的微生物互养作用；② 基于72种人肠道微生物和221种代谢物，用GutCP预测出293个微生物互养作用，并绘制其网络图谱；③ 近65％的预测的微生物互养作用得到了基因组注释的支持，为实验提供了证据；④ 该方法或能极大地改善人类肠道微生物组现有模型的预测潜力，以及预测肠道代谢特征的能力。
Ecology-guided prediction of cross-feeding interactions in the human gut microbiome
02-26, doi: 10.1038/s41467-021-21586-6
【主编评语】互养作用是指一种生物利用另一种生物的代谢物来生长/生存的现象。在肠道菌群中，互养作用是不同微生物间建立相互作用的重要机制。Nature Communications近期发表的研究报道了一种能预测人肠道菌群中的微生物互养作用的算法，或能为建立基于宏基因组学和代谢组学的菌群内因果互作关系的模型，提供助力。（@mildbreeze）
翟齐啸团队：饮食和菌群如何调节肠道黏蛋白糖基化？（综述）
Carbohydrate Polymers[IF:7.182]
① 黏蛋白糖基化在调节肠道菌群、维持黏液屏障及免疫信号传导等方面起着重要作用；② 宿主免疫等因素调节黏蛋白糖基化，IBD、大肠癌等肠道疾病伴随着肠上皮特定糖基化改变；③ 肠道微生物通过脂多糖、黏附素、糖苷酶、代谢产物（SCFAs、色氨酸代谢物）等调节黏蛋白糖基化；④ 膳食成分（如脂肪、纤维、益生元、蛋白质和食品添加剂）会影响黏蛋白糖基化和黏膜稳态；⑤ 未来或可为IBD、大肠癌等患者提供靶向黏蛋白糖基化的个性化饮食以辅助治疗。
The effects of diet and gut microbiota on the regulation of intestinal mucin glycosylation
01-19, doi: 10.1016/j.carbpol.2021.117651
【主编评语】江南大学翟齐啸团队近期在Carbohydrate Polymers发表综述，探讨了肠道的黏蛋白糖基化在肠道疾病中的作用，重点总结了影响宿主免疫、肠道菌群和饮食等因素对黏蛋白糖基化的影响，并对基于黏蛋白糖基化的个体化干预进行了展望，推荐专业人士参考。（@mildbreeze）
国内团队：大麦叶通过菌群产物缓解结肠炎
Microbiome[IF:11.607]
① 大麦叶（BL）可改善结肠炎模型小鼠的结肠炎症和肠道菌群失调（抑制细菌丰富度和多样性下降，变形杆菌/肠杆菌丰度增加）；② 同时，代谢谱分析表明，在BL诱导的代谢重编程中，糖酵解通路富集；③ BL促进肠道菌群（如乳杆菌）衍生物肌苷的富集，肌苷可通过PPARγ通路作用于结肠上皮细胞，进而对结肠起到保护作用；④ 外源性肌苷补充可通过PPARγ通路产生与BL类似的保护作用，而抑制PPARγ信号可消除BL的保护作用。
Gut microbiota-derived inosine from dietary barley leaf supplementation attenuates colitis through PPARγ signaling activation
04-05, doi: 10.1186/s40168-021-01028-7
【主编评语】大麦叶在中药中的应用历史悠久，对肠道功能具有潜在的促进作用。然而，其作用机制尚不清楚，中国农业大学陈芳团队的一项研究结果表明，大麦叶可促进肠道菌衍生物肌苷的产生，肌苷可通过PPARγ通路作用于结肠上皮细胞，进而对结肠起到保护作用，外源补充肌苷也可起到同样的效果，该研究发现一种新的可通过菌群衍生物肌苷治疗结肠炎的方案。（@Vera）
南京中医药大学：肠道菌群与更年期动脉粥样硬化
Gut Microbes[IF:7.74]
① 高脂喂养导致卵巢ApoE−/-小鼠（M鼠）出现明显动脉硬化、脂肪肝和高脂血症，脂质代谢和转运相关酶的mRNA水平分别升高和降低，而移植正常饮食的小鼠或经雌激素处理的M鼠的粪便可改善上述变化；② 与高脂喂养的未去卵巢小鼠相比，M鼠血浆中的胆固醇酯、甘油三酯、磷脂等脂代谢产物丰度更高，且肠道菌群多样性和组成明显改变，而补充雌激素可逆转上述变化；③ 肠道菌群和脂质代谢产物显著相关，表明血脂变化或与肠道菌群的破坏有关。
The gut microbiota during the progression of atherosclerosis in the perimenopausal period shows specific compositional changes and significant correlations with circulating lipid metabolites
03-11, doi: 10.1080/19490976.2021.1880220
【主编评语】动脉粥样硬化（AS）在围绝经期加重，显著增加心血管疾病的发病率，肠道菌群的破坏与AS或绝经有关，但在围绝经期与AS相关的肠道菌群的具体变化在很大程度上仍不清楚。近期南京中医药大学卞慧敏、单进军与研究团队在Gut Microbes发表了关于围绝经期动脉粥样硬化进程中肠道菌群变化及其与循环脂质代谢产物关联的研究，并提示对于围绝经期补充雌激素可能对肠道细菌和脂质代谢产生有益作用。（@mildbreeze）
国内团队：抗生素可损害肠屏障和肝脏抗病毒免疫
Frontiers in Immunology[IF:5.085]
① 共生肠道菌群可保护肠外器官的免疫防御能力；② 抗生素导致的肠道菌群减少会削弱宿主的抗病毒免疫反应并改变乙型肝炎病毒（HBV）感染的结局；③ 抗生素导致肠道菌群减少使结肠上皮的完整性受损， 共生细菌可以转移到肝脏 ；④ 肝脏中T细胞的抗病毒功能受损，这部分依赖于PD-1表达的增强，而且HBV的免疫清除受到阻碍；⑤ 肠道菌群减少延长了小鼠的HBV感染；⑥ 抗生素导致的肠道菌群减少损伤了肠道屏障功能，抑制肝脏中T细胞的抗病毒免疫反应。
Depletion of Gut Microbiota Impairs Gut Barrier Function and Antiviral Immune Defense in the Liver
03-25, doi: 10.3389/fimmu.2021.636803
【主编评语】抗生素引起的肠道微生物群减少可损害宿主抗病毒免疫反应并改变乙型肝炎病毒（HBV）的感染结果。然而，肠道微生物群如何调节肝脏的抗病毒免疫反应仍不清楚。华中科技大学同济医学院附属协和医院的Wang Junzhong和王宝菊与团队在Frontiers in Immunology上发表文章，发现抗生素的使用导致肠道微生物群减少，破坏肠道屏障的完整性，共生菌转移到肝脏，肝脏中T细胞的抗病毒反应被抑制，导致HBV感染延长。这提示我们谨慎使用抗生素。（@爱的抉择）
感谢本期日报的创作者：mildbreeze，刘永鑫-中科院-宏基因组，Sophia，Chengkai，大力，lzm，临床营养陈彬林，orchid