原创 沧浪烟客 微生态 2019-07-22
美国华盛顿大学医学院Arjun S. Raman和Jeffrey I. Gordon等人于2019年7月12日在《Science》上发表题目为《A sparse covarying unit that describes healthy and impaired human gut microbiota development》的文章。作者测量了从1个月到60个月年龄的孟加拉国出生健康儿童的微生物群中细菌类群的时间守恒协变性。结果显示了一个由15个协变细菌类群组成的“生态群”，该类群可简要代表来自孟加拉国和其他低收入国家的健康儿童的微生物群，并为监测营养不良儿童接受治疗性食物治疗后的肠道菌群修复提供了一种手段。
文章摘要
研究背景：生态系统，如人体肠道微生物群，通常用列举组成成员的“零件清单”来描述。因此，群落成分的丰度通常被用作将群落结构与其生境特征和宿主生物状态联系起来的指标。虽然这种方法提供了许多见解，但是生物系统的结构和功能是由组成部分的集体作用而不是每个单独作用的部分引起的。这一特征需要一种不同的方法来描述微生物群的形式，即考虑到成员之间的丰度和相互作用。
理论基础：作者借鉴了生态物理学和蛋白质进化等领域，通过对保守共变的识别，对复杂动态系统的组织结构进行了深入的研究。我们在人类肠道微生物群落看似难以处理的复杂性中寻找特征，这些特征可以作为理解它们如何组合和工作的框架。
结果：我们建立了一个统计工作流程，以确定孟加拉国出生的健康成员肠道群体中的保守细菌分类群，这些儿童从出生后第1个月到第60个月每月提供粪便样本。结果显示，15个细菌类群的“生态群”在20个月及20个月以上表现出一致的共变。生态群还描述了生活在孟加拉国、印度和秘鲁的健康出生儿童肠道微生物群的发展，在某种程度上与考虑所有检测到的细菌分类群所取得的进展一致；这一发现表明该“生态群”是一个保守的一般特征。此外，该“生态群”还提供了一个框架来描述孟加拉国严重急性营养不良（SAM）和中度急性营养不良（MAM）儿童的扰动微生物群发展状况，以及定义标准与微生物群-导向疗效的定量指标。指导治疗性食物重新配置他们的肠道菌群，使之进入一个与生活在同一地区的年龄相匹配的健康儿童的状态。这些结果强调了生态群作为一个描述符号的重要性，无论是对于基本用途还是实际用途。一个由培养的生态群分类群组成的联盟，被引入到了限定菌群的仔猪中。当动物从纯牛奶喂养过渡到完全断奶的状态时，喂食典型的孟加拉国饮食，观察到与人类菌群相重复的相对丰度的变化。这种变化模式与这些生物体基因组中一组稀疏代谢途径的表现相关，并且在完全断奶状态下，与它们的表达相关。
结论：生态群代表了菌群组织的一个简化特征，并在群体组装和功能中扮演关键角色。肠道微生物群面临的环境影响越来越多，将一个稀疏的协变类群网络“嵌入”到一个更大的独立变化的生物体框架中，可以代表一种自然开发的解决方案，在实现适应性的同时保持稳定性。这种用于识别和描述协变生态群稀疏网络的方法，原则上可推广到各种生态系统。
文章中重要图片说明
图片摘要：生态群作为对微生物群形式的一种简明描述。（上图）协变分类群的网络图，其中节点（taxon）颜色表示生态群（绿色）或非生态群（灰色），节点大小表示相互协变分类群的数目，节点之间的连接表示两个分类群之间的协变。（底部）测量生态群分类群的代表性表明，接受标准治疗食品治疗的严重急性营养不良（SAM）儿童的生态群特征与未接受治疗的中度急性营养不良（MAM）儿童相似，表明其肠道社区相对于健康儿童的持续性干扰。相比之下，使用针对微生物群（MDCF-2）的治疗性食品治疗的中度急性营养不良（MAM）儿童具有几乎完全与健康儿童重叠的生态群特征。
图1 | 定义健康孟加拉国儿童细菌分类群（“生态群”）的稀疏、一致协变网络。（a）工作流程。左：从出生后20-60个月的出生健康儿童每月采集的粪便微生物群样本的16s rDNA测序。右图：月协方差矩阵相对于最大月协方差值进行归一化。（b）时间保守的taxon-taxon协方差矩阵。（c）时间守恒协方差矩阵的特征成分。（d）由（c）中的15个分类群协调的PCA空间显示的出生后50至60个月的粪便样本。热图显示了负责每个主要成分方差的分类群的部分丰度。沿着PC1的投影左侧显示的蓝色框突出了健康儿童的子集，这些健康儿童具有较高的P. copri代表性。（e）15个分类群（绿色节点）稀疏协变网络的可视化。
图2 | 孟加拉国出生健康儿童肠道微生物群的特征。（a）创建PCA空间。空间中的每个点代表粪便样本，包含所有分类群丰度大于0.001（0.1%）（118个分类群）、生态群分类群（15个）或非生态群分类群（103个）。（b）说明作为出生后月份函数的生态群分类群的平均分丰度的条形图（见表S2E）。插图：P. copri的平均丰度作为时间函数。
图3 | 生态群分类群定义了急性营养不良（SAM）和中度急性营养不良（MAM）儿童的微生物群对各种营养干预的反应。（a）每个指定队列的质心绘制在PCA空间上。箭头显示了传统疗法治疗的SAM患儿和使用RUSF或MDCF治疗的MAM患儿微生物群重构的时间进展。（b）（a）中所示轴线的矩阵分解突出了对沿着每个主要成分观察到的粪便样本方差来说很重要的速率。（c和d）作为治疗功能的SAM和MAM儿童粪便微生物群（b）中确定的生态群分类群的平均部分丰度。
图4 | 限菌仔猪生态群菌株适应度景观相关的区别基因组特征。（a）随时间绘制的应变平均分数丰度。（b）在出生后第8天和第22天之间，区分仔猪粪便微生物群平均部分丰度≥0.001的菌株的基因组特征。（c）描述（b）中所示应变在指定时间点的分数表示的热图。
图5 | 断奶仔猪mcSEED代谢模块表达与生态群菌株适应性相关的区别特征。
閱讀更多 糖尿病便祕腸炎管理 的文章
