原創 滄浪煙客 微生態 2019-07-22
美國華盛頓大學醫學院Arjun S. Raman和Jeffrey I. Gordon等人於2019年7月12日在《Science》上發表題目為《A sparse covarying unit that describes healthy and impaired human gut microbiota development》的文章。作者測量了從1個月到60個月年齡的孟加拉國出生健康兒童的微生物群中細菌類群的時間守恆協變性。結果顯示了一個由15個協變細菌類群組成的“生態群”，該類群可簡要代表來自孟加拉國和其他低收入國家的健康兒童的微生物群，併為監測營養不良兒童接受治療性食物治療後的腸道菌群修復提供了一種手段。
文章摘要
研究背景：生態系統，如人體腸道微生物群，通常用列舉組成成員的“零件清單”來描述。因此，群落成分的丰度通常被用作將群落結構與其生境特徵和宿主生物狀態聯繫起來的指標。雖然這種方法提供了許多見解，但是生物系統的結構和功能是由組成部分的集體作用而不是每個單獨作用的部分引起的。這一特徵需要一種不同的方法來描述微生物群的形式，即考慮到成員之間的丰度和相互作用。
理論基礎：作者借鑑了生態物理學和蛋白質進化等領域，通過對保守共變的識別，對複雜動態系統的組織結構進行了深入的研究。我們在人類腸道微生物群落看似難以處理的複雜性中尋找特徵，這些特徵可以作為理解它們如何組合和工作的框架。
結果：我們建立了一個統計工作流程，以確定孟加拉國出生的健康成員腸道群體中的保守細菌分類群，這些兒童從出生後第1個月到第60個月每月提供糞便樣本。結果顯示，15個細菌類群的“生態群”在20個月及20個月以上表現出一致的共變。生態群還描述了生活在孟加拉國、印度和秘魯的健康出生兒童腸道微生物群的發展，在某種程度上與考慮所有檢測到的細菌分類群所取得的進展一致；這一發現表明該“生態群”是一個保守的一般特徵。此外，該“生態群”還提供了一個框架來描述孟加拉國嚴重急性營養不良（SAM）和中度急性營養不良（MAM）兒童的擾動微生物群發展狀況，以及定義標準與微生物群-導向療效的定量指標。指導治療性食物重新配置他們的腸道菌群，使之進入一個與生活在同一地區的年齡相匹配的健康兒童的狀態。這些結果強調了生態群作為一個描述符號的重要性，無論是對於基本用途還是實際用途。一個由培養的生態群分類群組成的聯盟，被引入到了限定菌群的仔豬中。當動物從純牛奶餵養過渡到完全斷奶的狀態時，餵食典型的孟加拉國飲食，觀察到與人類菌群相重複的相對丰度的變化。這種變化模式與這些生物體基因組中一組稀疏代謝途徑的表現相關，並且在完全斷奶狀態下，與它們的表達相關。
結論：生態群代表了菌群組織的一個簡化特徵，並在群體組裝和功能中扮演關鍵角色。腸道微生物群面臨的環境影響越來越多，將一個稀疏的協變類群網絡“嵌入”到一個更大的獨立變化的生物體框架中，可以代表一種自然開發的解決方案，在實現適應性的同時保持穩定性。這種用於識別和描述協變生態群稀疏網絡的方法，原則上可推廣到各種生態系統。
文章中重要圖片說明
圖片摘要：生態群作為對微生物群形式的一種簡明描述。（上圖）協變分類群的網絡圖，其中節點（taxon）顏色表示生態群（綠色）或非生態群（灰色），節點大小表示相互協變分類群的數目，節點之間的連接表示兩個分類群之間的協變。（底部）測量生態群分類群的代表性表明，接受標準治療食品治療的嚴重急性營養不良（SAM）兒童的生態群特徵與未接受治療的中度急性營養不良（MAM）兒童相似，表明其腸道社區相對於健康兒童的持續性干擾。相比之下，使用針對微生物群（MDCF-2）的治療性食品治療的中度急性營養不良（MAM）兒童具有幾乎完全與健康兒童重疊的生態群特徵。
圖1 | 定義健康孟加拉國兒童細菌分類群（“生態群”）的稀疏、一致協變網絡。（a）工作流程。左：從出生後20-60個月的出生健康兒童每月採集的糞便微生物群樣本的16s rDNA測序。右圖：月協方差矩陣相對於最大月協方差值進行歸一化。（b）時間保守的taxon-taxon協方差矩陣。（c）時間守恆協方差矩陣的特徵成分。（d）由（c）中的15個分類群協調的PCA空間顯示的出生後50至60個月的糞便樣本。熱圖顯示了負責每個主要成分方差的分類群的部分丰度。沿著PC1的投影左側顯示的藍色框突出了健康兒童的子集，這些健康兒童具有較高的P. copri代表性。（e）15個分類群（綠色節點）稀疏協變網絡的可視化。
圖2 | 孟加拉國出生健康兒童腸道微生物群的特徵。（a）創建PCA空間。空間中的每個點代表糞便樣本，包含所有分類群丰度大於0.001（0.1%）（118個分類群）、生態群分類群（15個）或非生態群分類群（103個）。（b）說明作為出生後月份函數的生態群分類群的平均分丰度的條形圖（見表S2E）。插圖：P. copri的平均丰度作為時間函數。
圖3 | 生態群分類群定義了急性營養不良（SAM）和中度急性營養不良（MAM）兒童的微生物群對各種營養干預的反應。（a）每個指定隊列的質心繪製在PCA空間上。箭頭顯示了傳統療法治療的SAM患兒和使用RUSF或MDCF治療的MAM患兒微生物群重構的時間進展。（b）（a）中所示軸線的矩陣分解突出了對沿著每個主要成分觀察到的糞便樣本方差來說很重要的速率。（c和d）作為治療功能的SAM和MAM兒童糞便微生物群（b）中確定的生態群分類群的平均部分丰度。
圖4 | 限菌仔豬生態群菌株適應度景觀相關的區別基因組特徵。（a）隨時間繪製的應變平均分數丰度。（b）在出生後第8天和第22天之間，區分仔豬糞便微生物群平均部分丰度≥0.001的菌株的基因組特徵。（c）描述（b）中所示應變在指定時間點的分數表示的熱圖。
圖5 | 斷奶仔豬mcSEED代謝模塊表達與生態群菌株適應性相關的區別特徵。
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