第四章 肠道微生物组研究14个主题方向
4.1 微生物组
4.1.2 主要认知和研究现状
4.1.2.3 肠道微生物组个体性、稳定性和动态变化
菌群指纹
近年来基于纵向大队列的研究表明,肠道微生物组在微生物的物种/ 菌株、代谢通路和基因层面上,都存在一定的长期稳定性和个体内变化。健康的肠道微生物组对干扰具有较强的抵抗力,使宿主能长期保持肠道微生物组的关键成员。通常来讲,多样性较高的菌群具有较高的稳定性。[9]
研究者甚至可以基于微生物基因组成特征构建“菌群指纹”,判断不同时间点的菌群样本是否属于同一个体[15]。
人生中的肠道微生物组变化规律
婴儿的肠道微生物组在出生后开始形成,主要从母亲处获得初始的先锋物种。这个时期的肠道微生物组主要由双歧杆菌属主导,多样性相对较低但群落快速变化。随着年龄的增长,肠道微生物组的多样性增加,直到菌群达到成熟稳定。老年时期菌群进入晚期演替阶段,表现为α 多样性降低、个体独特性增加。而且,肠道微生物组的组成随宿主的昼夜节律、进食节律发生动态变化,并受到饮食、生活方式、疾病和药物等因素的影响,其中基石物种对群落恢复过程具有重要作用。[16]
图4.1.9 各年龄人群粪便菌群的α 多样性(左)、β 多样性(右)[16]
聚焦:从生态学和进化学视角研究肠道微生物组
从生态学、进化学的角度解析肠道微生物组的变化模式及与宿主的共生机制,是一个重要研究方向。除了合作,高多样性肠菌物种更有可能在以竞争互作为主导的系统中稳定共存,即种间竞争在塑造菌群、维持稳定性方面可能是关键的生态学因素[17]。
共生菌群也在宿主、环境等因素施加的选择压力下,通过微生物基因/ 遗传的动态变化发生适应性演化[18]。近期研究表明,在长期维度上,微生物在菌株层面与人类宿主共同演化;在短期维度上,一些菌株在宿主的演化可影响致病性等特征。
图4.1.10 菌株、菌群、生境水平均存在共生菌群演化[18]
A:菌株水平,通过单核苷酸多态性差异、基因转座和拷贝数变化,保留有利突变表型,适应宿主和筛选压力;B:菌群水平,菌株通过水平基因转移获适应性;C:生境水平,作为开放系统,人体共生菌群在外源微生物入侵时可从其他生境获得新基因。
代表性研究
参考文献:
9.Lozupone, C.A., et al., Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota. Nature, 2012. 489(7415): p. 220-30.
15.Chen, L., et al., The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome. Cell, 2021. 184(9): p. 2302-2315.e12.
16.Martino, C., et al., Microbiota succession throughout life from the cradle to the grave. Nat Rev Microbiol, 2022. 20(12): p. 707-720.
17.García-Bayona, L. and L.E. Comstock, Bacterial antagonism in host-associated microbial communities. Science, 2018. 361(6408).
18.Ferreiro, A., et al., Multiscale Evolutionary Dynamics of Host-Associated Microbiomes. Cell, 2018. 172(6): p. 1216-1227.