Cell：人體內菌群如何進化適應宿主環境？（綜述）

文獻導讀

目前，已經有很多研究使用巨集基因組技術描述微生物組在不同選擇壓力下所經歷的菌群水平變化. 但瞭解菌群在這樣的系統中如何進化也很重要。 因此，需要考慮的是：菌群在多大程度上以特定宿主的方式進化，包括外源物質和宿主飲食等許多因素都可能使個體具有獨特的選擇壓力，表現為特定於個體的突變特徵。

文獻介紹

• 英文標題： Multiscale Evolutionary Dynamics of Host-Associated Microbiomes
• 中文標題：:宿主相關菌群多層面的動態進化
• 年份：March 8, 2018
• IF：31.398
• 第一作者：Aura Ferreiro [研究領域：生物醫學工程，生物資訊學，結構生物學]
• 通訊地址：The Edison Family Center for Genome Sciences & Systems Biology, Washington University School of Medicine, St. Louis, MO 63110, USA; Department of Biomedical Engineering, Washington University in St. Louis, St. Louis, MO 63130, USA

論文摘要

1. 菌群中的組成成員面臨一系列的選擇壓力，必須要適應這些壓力才能存在宿主中，遺傳資訊在宿主相關菌群的不同層面進化和轉移，這些菌群才能抵禦生物和非生物擾動。
2. 在菌株水平上，考慮子代譜系中適應性資訊的儲存和多樣化。
3. 在菌群水平上，考慮生態系統中不同微生物之間的遺傳交換。
4. 在生境水平上，將微生物組定義為開放系統，通過外來微生物的入侵從外界生態系統獲取新的資訊。

文獻介紹

在這篇綜述中，考察了人類相關菌群在三個層面上的進化，第一層面，遺傳物質改變在基因水平上進化，其中單核苷酸多型性（SNPs）、拷貝數變異(CNV)以及編碼區和非編碼區內單個微生物基因組內的轉座事件被選擇。第二層面，菌群水平發生的變化。在這種規模下，通過轉化，結合或噬菌體轉導，通過水平基因轉移（HGT）在菌群內的多個細菌菌株間發生進化. 第三層面，跨生態系統交換，其中微生物組可以從別的生境中獲得新的遺傳物質編碼有益或有害功能，這是表現一種外來的有機體及其巨集基因組的形式，來自宿主以外的環境，並可能由人類活動（如食物消耗或旅行）促成。
重要的是，文中表明遺傳變化經常同時發生在多個層面上，使用這種微生物進化的多層面框架來討論體內宿主相關微生物適應模式的工作。

體內對外源物質的進化反應

人類菌群暴露於大量外來小分子物質中，其中最明顯的是抗生素和抗真菌劑。其他化合物，如重金屬，除了對宿主生理機能的影響外，還對共生和致病微生物施加獨特的選擇壓力。

抗生素耐藥性的演變和轉移

人們在混合良好、營養豐富、無菌的培養液環境中研究了通過點突變對抗生素的抗性。這些研究為導致耐藥性的進化機制提供了寶貴的見解， 研究人類或動物宿主中微生物進化的研究相對較少，在複雜環境中抗生素耐藥性與競爭性適應性之間的權衡可能更為明顯。研究暗示需要全面測量全球人類共生，環境和病原體主導的微生物組之間的抗生素抗性基因轉移的速率和型別，以便改進對抗性基因傳播的分子監測。也表明有必要對生物資訊學工具進行高解析度取樣和優化，以闡明導致菌株間抗性基因轉移的遺傳事件序列。此外，目前用於巨集基因組學的鳥槍法還不足以揭示與特定微生物譜系相關的遺傳變化，需要技術、計算和概念上的進步才能在菌群的背景下回答這些問題。未來的研究可以進一步表徵在染色體水平上發生的適應性反應，以獲得有或無抗生素暴露的耐藥質粒。

抗真菌的進化和HGT（水平基因轉移）反應

雖然細菌在體內進化研究中受到了大多數關注，但共生和致病真菌也在腸道中發揮重要作用，無疑是在這種情況下響應選擇性壓力而進化的。真菌的不同基因組結構，包括多個線性染色體和多倍體，揭示了額外的進化模式。例如雜合性丟失是對獲得氟康唑耐藥性起主要作用，這種機制在細菌中不會被觀察到。此外，多倍體已被證明可以緩衝生物體的有害突變，並因此能夠對更廣泛的序列空間進行進化探索，且研究表明，除了細菌之外，腸道真菌可能是水平基因傳播和跨生態系統基因交換的重要參與者。

重金屬暴露的進化反應

重金屬暴露會對共生菌造成明顯的選擇壓力。最近有研究表明，銅補充劑是一種促進牛生長的技術，它能增加牛腸中屎腸球菌對銅的耐藥性。但也發現銅抗性基因（tcrB）攜帶在帶有大環內酯和四環素抗性基因的質粒上。作者隨後表明，這些多藥和銅耐藥表型在接合試驗中共同轉移。在其他腸道環境中觀察到單一質粒上金屬和抗生素耐藥性的共同出現，暗示對於在生態系統之間轉運的生物（例如，通過農業和食物消費網路），在一個生境中經歷的選擇性壓力可能導致共定位的存在和傳播，但是在跨生境中的導致不同的遺傳資訊。

體內宿主飲食對進化的反應

許多微生物，特別是胃腸道中的微生物，利用宿主膳食材料作為營養來源。因此，宿主相關微生物適應宿主獨特的飲食條件就不足為奇了。許多研究檢測了飲食干預後菌株丰度的變化。但很少有人研究體內暴露過程中發生的突變或基因組重排。這可能是因為飲食施加的選擇性壓力比外源物質施加的選擇性壓力更弱，並且在更長的時間尺度上施加。儘管如此，一些跨種群微生物多樣性的回顧性分析表明，遺傳資訊的歷史轉移使人類腸道微生物群適應專門的飲食。一項里程碑式的研究表明，在日本人的腸道微生物組中，一種卟啉酶（一種降解卟啉的酶，在紅藻中發現的碳水化合物，如海藻）從一種海洋擬桿菌轉移到一種腸道擬桿菌屬物，海藻就是其主要的飲食成分，在西方受試者的腸道微生物群中未觀察到此類酶。這體現了跨越第二和第三個尺度的遺傳變化的組合，以外來有機體的形式跨生態系統引入新的功能，隨後通過HGT轉移到原生共生體。在另一項研究中，斐濟人腸道中存在的可動員的糖基水解酶與美國人中存在的糖基水解酶不同，這支援了腸道微生物組可能共享和進化基因以應對當地特定飲食壓力的觀點。且飲食已被證明影響某些質粒在高脂飲食大鼠體內的動員率，相對於更常規的大鼠食物飲食，降低了質粒的轉移率。發酵食品也被證明會影響無菌小鼠體內轉導結合體的密度，儘管它不知道這種效應是由於轉導結合體生長速度的增加還是動員速度本身的增加所致。HGT的能力也可以在合成一種 “forced HGT”實驗，將來自一種微生物的基因在克隆載體上集中轉移到另一種微生物上，並通過小鼠腸道選擇更適合的轉化子。最近表明從B .thetaiotaomicron(多形擬桿菌)獲得碳水化合物利用酶，對無菌小鼠的腸道中的大腸桿菌有健康作用。當整個腸道巨集基因組可以被取樣時，在大腸桿菌（以及其他腸道微生物）在更現實的腸道環境中，確定哪些功能賦予大腸桿菌選擇性優勢將是很有趣的。

菌群競爭對進化的應答

人類相關微生物對微生物群落競爭的進化反應與身體部位和宿主健康或疾病背景下的一系列選擇壓力相抗衡。（Figure 2）這些挑戰和時空動態的環境導致微生物間的競爭，並支援微生物組等位基因組成的持續轉變，使得即使是生態穩定的細菌群落也可能不具有進化穩定性。這種性質的例子包括一個亞群中的代謝適應，導致新的生態位創造，其他亞群可以進化為佔據。利用這些代謝物的能力提供了一種選擇性優勢，使得每種細菌物種的代謝特徵可以由菌群體中剩餘的菌驅動。

圖3A說明了競爭群落的等位基因組成正在發生轉變的一個概念性例子，其中能夠產生對敏感菌株致死的化合物的殺傷物種通過檢測其殺傷基因的頻率來衡量丰度上升。伴隨而來的是，敏感物種大量減少，而突變事件產生了抗性譜系或是能夠降解殺傷化合物的系譜. 隨著這些譜系數量的增加，產生殺傷化合物的適應性優勢下降，直到超過其代謝成本。最終，突變事件可能會導致進化出的殺傷譜系克服了曾經敏感的譜系的抗性或降解表型。
圖3B說明細菌關係不僅在物種之間是動態的，而且在物種內部也是動態的，因為譜系繼續競爭性地共同進化。理論和對照體外實驗支援克隆干擾作為大型無性群體適應性動態的主要因素。這都強調了在生理相關環境中表徵人類相關微生物（包括共生體和益生菌）的適應和譜系進展的必要性。

腸道菌群的進化

小鼠腸道中的大腸桿菌的適應性的研究中，YFP和CFP標記的大腸桿菌, 灌胃鏈黴素處理的小鼠並在24天內收集顯示進化動力學診斷克隆干擾快速軟掃描與碳水化合物代謝相關的適應性突變，影響大，平均為15%，高達到30%的適應優勢,分離克隆的全基因組測序在操縱子和基因水平上表現出進化的平行性，所有克隆在參與半乳糖醇代謝的gat操縱子（gat陰性表型）中表現出失活突變，是大腸桿菌的抑制子,在小鼠腸道中經常被遇到。作者還報道了參與核糖體成熟的兩個基因之間的上位性，在這些受控進化中，使用單一細菌種類的實驗，適應主要由第一個層面所涵蓋的型別決定：細菌複製垂直傳播的基因和操縱子水平的多型性。

面板菌群的進化

較少的研究描述了在這樣的解析度下面板微生物組成員的宿主內進化，這可能是由於取樣低丰度環境的困難，儘管巨集基因組測序的技術改進正在幫助。在一項研究中，對13例無症狀攜帶者鼻腔分離的金黃色葡萄球菌進行測序。 宿主之間發現的遺傳變異大於宿主內部，以及宿主內部共存的譜系，有證據表明宿主相關群體各自來源於單個定植事件。 重要的是，在常規序列分型中使用的多位點序列分型基因座中沒有檢測到菌株變異，這強調了在譜系追蹤中使用全基因組測序方法的重要性。它僅在編碼表面錨定蛋白和腸毒素的基因中被檢測到，這可能歸因於一種獨特的群體動態。其特徵在於絕對大小的巨大突變，表明清除和再擴增的時期。面板微生物組是未來研究宿主內部進化的一個火熱的領域，由於區域性選擇壓力的巨大差異，生物多樣性低，亞群的劃分，取樣的容易性（儘管丰度低）以及與外界獨特的直接介面。

感染過程中病原體的進化

體內致病性適應的觀察性研究主要是對慢性感染的詢問，這允許對克隆相關分離株進行縱向比較。這些是第三種層面的遺傳物質改變的理想例子，其中包括通過外來微生物的定殖向受干擾的微生物組新增新的遺傳資訊。此外，入侵微生物本身在基因改變的第一個尺度上適應它們的新環境。一個研究從18例複發性真菌（隱球菌屬）南非患者的腦脊液中分離出系列菌株，對復發只發生在一部分人群中的病例進行分析，以研究適應性突變是否為復發的決定因素，最終表明隱球菌微進化對人類中樞神經系統決定疾病轉歸的重要性。

在生境間微生物組的交換

由於DNA的亞基因組區域是在單個微生物之間共享的，所以全基因組或基因組集合可以在微生物組之間共享，這是遺傳變化第三個層面的特徵。雖然致病性和定植是單個基因組利用新宿主生態位的眾所周知的例子。多基因組轉移的規則和過程剛剛開始得到闡明，生物組轉移的一些最明顯的例子是通過擁有可區分的微生物群落的共同飼養的定菌小鼠提供的。共同飼養含有營養不良或健康兒童微生物組的小鼠，發現來自健康個體的微生物可重複地轉移到含有不健康微生物組的小鼠體內，這種轉移改善了由不健康微生物組引起的發育遲緩。微生物定殖的決定因素在很大程度上仍然是未知的，也是未來研究的一個富有成效的領域。也許最具臨床相關性的微生物組轉移的例子涉及艱難梭菌感染（CDI），通常是醫院內獲得的，估計每年會引起500,000例感染，其中超過15例是複發性的。糞便微生物群移植（FMTs）是複發性CDI的一種有前景的治療方法，其目標是恢復微生物群的定植抗性。接受者的腸道微生物組轉換為高保真度地匹配供者的特徵，看來，儘管人與人差異很大，但確實存在一個選擇壓力用來表徵人類腸道的生態系統核心概況，這些選擇性壓力的定量表徵將是微生物組導向和衍生治療領域的關鍵未來任務。

結論

1. 不同人體部位的細菌定植的特點是在具有罕見等位基因固定的群體內持續的克隆干擾，以及在基因和操縱子水平上譜系之間的適應性平行。
2. 這些適應似乎富含與共生微生物的碳源利用有關的基因或與病原體的毒力基因有關的基因，而在病原體中常常識別出超變異表型，但它們並不在共生體中（也許是對抗生素治療的反應）。

討論

1. 雖然病原體具有明顯的臨床相關性，但進一步的研究可以闡明微生物組的其他成員對感染的反應，這可以提示慢性炎症疾病的轉歸。
2. 大多數微生物譜系追蹤研究缺乏對基因組調控區域的適應性以及可能產生的影響的分析。譜系追蹤研究缺乏對基因組調控區域的適應性以及可能產生的影響的分析。

未來展望

1. 這些研究可以通過轉錄分析來補充。例如當我們設計益生菌用於遞送生物製劑和調節微生物組時，需要做更多的工作來評估在健康或疾病背景下腸道益生菌進化的風險。

2. 目前的技術挑戰包括區分常駐菌株的進化和相關菌株的入侵以及解決宿主相關微生物群落中密切相關的菌株。

3. 直接從巨集基因組中組裝基因組是一種很有前途的方法，可以利用短讀測序來幫助鑑定菌株水平的變異。

4. 將多種培養條件與基於質譜或測序的鑑定相結合的培養技術的進步，允許傳統上難以分離的微生物群成員。

5. 單細胞測序規避了培養帶來的限制，並提供了鑑定菌群內微生物適應所必需的解析度。
   

6. 一個令人興奮的未來前景是改善疾病背景下應變水平變化與患者結局的相關性，這可能使更個性化的治療策略成為可能。

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