人体内菌群如何进化适应宿主内环境

Cell：人体内菌群如何进化适应宿主环境？（综述）

文献导读

目前，已经有很多研究使用宏基因组技术描述微生物组在不同选择压力下所经历的菌群水平变化. 但了解菌群在这样的系统中如何进化也很重要。因此，需要考虑的是：菌群在多大程度上以特定宿主的方式进化，包括外源物质和宿主饮食等许多因素都可能使个体具有独特的选择压力，表现为特定于个体的突变特征。

文献介绍

英文标题： Multiscale Evolutionary Dynamics of Host-Associated Microbiomes
中文标题：:宿主相关菌群多层面的动态进化
年份：March 8, 2018
IF：31.398
第一作者：Aura Ferreiro [研究领域：生物医学工程，生物信息学，结构生物学]
通讯地址：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

论文摘要

菌群中的组成成员面临一系列的选择压力，必须要适应这些压力才能存在宿主中，遗传信息在宿主相关菌群的不同层面进化和转移，这些菌群才能抵御生物和非生物扰动。
在菌株水平上，考虑子代谱系中适应性信息的保存和多样化。
在菌群水平上，考虑生态系统中不同微生物之间的遗传交换。
在生境水平上，将微生物组定义为开放系统，通过外来微生物的入侵从外界生态系统获取新的信息。

文献介绍

在这篇综述中，考察了人类相关菌群在三个层面上的进化，第一层面，遗传物质改变在基因水平上进化，其中单核苷酸多态性（SNPs）、拷贝数变异(CNV)以及编码区和非编码区内单个微生物基因组内的转座事件被选择。第二层面，菌群水平发生的变化。在这种规模下，通过转化，结合或噬菌体转导，通过水平基因转移（HGT）在菌群内的多个细菌菌株间发生进化. 第三层面，跨生态系统交换，其中微生物组可以从别的生境中获得新的遗传物质编码有益或有害功能，这是表现一种外来的有机体及其宏基因组的形式，来自宿主以外的环境，并可能由人类活动（如食物消耗或旅行）促成。
重要的是，文中表明遗传变化经常同时发生在多个层面上，使用这种微生物进化的多层面框架来讨论体内宿主相关微生物适应模式的工作。

体内对外源物质的进化反应

人类菌群暴露于大量外来小分子物质中，其中最明显的是抗生素和抗真菌剂。其他化合物，如重金属，除了对宿主生理机能的影响外，还对共生和致病微生物施加独特的选择压力。

抗生素耐药性的演变和转移

人们在混合良好、营养丰富、无菌的培养液环境中研究了通过点突变对抗生素的抗性。这些研究为导致耐药性的进化机制提供了宝贵的见解，研究人类或动物宿主中微生物进化的研究相对较少，在复杂环境中抗生素耐药性与竞争性适应性之间的权衡可能更为明显。研究暗示需要全面测量全球人类共生，环境和病原体主导的微生物组之间的抗生素抗性基因转移的速率和类型，以便改进对抗性基因传播的分子监测。也表明有必要对生物信息学工具进行高分辨率取样和优化，以阐明导致菌株间抗性基因转移的遗传事件序列。此外，目前用于宏基因组学的鸟枪法还不足以揭示与特定微生物谱系相关的遗传变化，需要技术、计算和概念上的进步才能在菌群的背景下回答这些问题。未来的研究可以进一步表征在染色体水平上发生的适应性反应，以获得有或无抗生素暴露的耐药质粒。

抗真菌的进化和HGT（水平基因转移）反应

虽然细菌在体内进化研究中受到了大多数关注，但共生和致病真菌也在肠道中发挥重要作用，无疑是在这种情况下响应选择性压力而进化的。真菌的不同基因组结构，包括多个线性染色体和多倍体，揭示了额外的进化模式。例如杂合性丢失是对获得氟康唑耐药性起主要作用，这种机制在细菌中不会被观察到。此外，多倍体已被证明可以缓冲生物体的有害突变，并因此能够对更广泛的序列空间进行进化探索，且研究表明，除了细菌之外，肠道真菌可能是水平基因传播和跨生态系统基因交换的重要参与者。

重金属暴露的进化反应

重金属暴露会对共生菌造成明显的选择压力。最近有研究表明，铜补充剂是一种促进牛生长的技术，它能增加牛肠中屎肠球菌对铜的耐药性。但也发现铜抗性基因（tcrB）携带在带有大环内酯和四环素抗性基因的质粒上。作者随后表明，这些多药和铜耐药表型在接合试验中共同转移。在其他肠道环境中观察到单一质粒上金属和抗生素耐药性的共同出现，暗示对于在生态系统之间转运的生物（例如，通过农业和食物消费网络），在一个生境中经历的选择性压力可能导致共定位的存在和传播，但是在跨生境中的导致不同的遗传信息。

体内宿主饮食对进化的反应

许多微生物，特别是胃肠道中的微生物，利用宿主膳食材料作为营养来源。因此，宿主相关微生物适应宿主独特的饮食条件就不足为奇了。许多研究检测了饮食干预后菌株丰度的变化。但很少有人研究体内暴露过程中发生的突变或基因组重排。这可能是因为饮食施加的选择性压力比外源物质施加的选择性压力更弱，并且在更长的时间尺度上施加。尽管如此，一些跨种群微生物多样性的回顾性分析表明，遗传信息的历史转移使人类肠道微生物群适应专门的饮食。一项里程碑式的研究表明，在日本人的肠道微生物组中，一种卟啉酶（一种降解卟啉的酶，在红藻中发现的碳水化合物，如海藻）从一种海洋拟杆菌转移到一种肠道拟杆菌属物，海藻就是其主要的饮食成分，在西方受试者的肠道微生物群中未观察到此类酶。这体现了跨越第二和第三个尺度的遗传变化的组合，以外来有机体的形式跨生态系统引入新的功能，随后通过HGT转移到原生共生体。在另一项研究中，斐济人肠道中存在的可动员的糖基水解酶与美国人中存在的糖基水解酶不同，这支持了肠道微生物组可能共享和进化基因以应对当地特定饮食压力的观点。且饮食已被证明影响某些质粒在高脂饮食大鼠体内的动员率，相对于更常规的大鼠食物饮食，降低了质粒的转移率。发酵食品也被证明会影响无菌小鼠体内转导结合体的密度，尽管它不知道这种效应是由于转导结合体生长速度的增加还是动员速度本身的增加所致。HGT的能力也可以在合成一种 “forced HGT”实验，将来自一种微生物的基因在克隆载体上集中转移到另一种微生物上，并通过小鼠肠道选择更适合的转化子。最近表明从B .thetaiotaomicron(多形拟杆菌)获得碳水化合物利用酶，对无菌小鼠的肠道中的大肠杆菌有健康作用。当整个肠道宏基因组可以被采样时，在大肠杆菌（以及其他肠道微生物）在更现实的肠道环境中，确定哪些功能赋予大肠杆菌选择性优势将是很有趣的。

菌群竞争对进化的应答

人类相关微生物对微生物群落竞争的进化反应与身体部位和宿主健康或疾病背景下的一系列选择压力相抗衡。（Figure 2）这些挑战和时空动态的环境导致微生物间的竞争，并支持微生物组等位基因组成的持续转变，使得即使是生态稳定的细菌群落也可能不具有进化稳定性。这种性质的例子包括一个亚群中的代谢适应，导致新的生态位创造，其他亚群可以进化为占据。利用这些代谢物的能力提供了一种选择性优势，使得每种细菌物种的代谢特征可以由菌群体中剩余的菌驱动。
在这里插入图片描述

图3A说明了竞争群落的等位基因组成正在发生转变的一个概念性例子，其中能够产生对敏感菌株致死的化合物的杀伤物种通过检测其杀伤基因的频率来衡量丰度上升。伴随而来的是，敏感物种大量减少，而突变事件产生了抗性谱系或是能够降解杀伤化合物的系谱. 随着这些谱系数量的增加，产生杀伤化合物的适应性优势下降，直到超过其代谢成本。最终，突变事件可能会导致进化出的杀伤谱系克服了曾经敏感的谱系的抗性或降解表型。
图3B说明细菌关系不仅在物种之间是动态的，而且在物种内部也是动态的，因为谱系继续竞争性地共同进化。理论和对照体外实验支持克隆干扰作为大型无性群体适应性动态的主要因素。这都强调了在生理相关环境中表征人类相关微生物（包括共生体和益生菌）的适应和谱系进展的必要性。

肠道菌群的进化

小鼠肠道中的大肠杆菌的适应性的研究中，YFP和CFP标记的大肠杆菌, 灌胃链霉素处理的小鼠并在24天内收集显示进化动力学诊断克隆干扰快速软扫描与碳水化合物代谢相关的适应性突变，影响大，平均为15%，高达到30%的适应优势,分离克隆的全基因组测序在操纵子和基因水平上表现出进化的平行性，所有克隆在参与半乳糖醇代谢的gat操纵子（gat阴性表型）中表现出失活突变，是大肠杆菌的抑制子,在小鼠肠道中经常被遇到。作者还报道了参与核糖体成熟的两个基因之间的上位性，在这些受控进化中，使用单一细菌种类的实验，适应主要由第一个层面所涵盖的类型决定：细菌复制垂直传播的基因和操纵子水平的多态性。

皮肤菌群的进化

较少的研究描述了在这样的分辨率下皮肤微生物组成员的宿主内进化，这可能是由于取样低丰度环境的困难，尽管宏基因组测序的技术改进正在帮助。在一项研究中，对13例无症状携带者鼻腔分离的金黄色葡萄球菌进行测序。宿主之间发现的遗传变异大于宿主内部，以及宿主内部共存的谱系，有证据表明宿主相关群体各自来源于单个定植事件。重要的是，在常规序列分型中使用的多位点序列分型基因座中没有检测到菌株变异，这强调了在谱系追踪中使用全基因组测序方法的重要性。它仅在编码表面锚定蛋白和肠毒素的基因中被检测到，这可能归因于一种独特的群体动态。其特征在于绝对大小的巨大突变，表明清除和再扩增的时期。皮肤微生物组是未来研究宿主内部进化的一个火热的领域，由于局部选择压力的巨大差异，生物多样性低，亚群的划分，取样的容易性（尽管丰度低）以及与外界独特的直接接口。

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感染过程中病原体的进化

体内致病性适应的观察性研究主要是对慢性感染的询问，这允许对克隆相关分离株进行纵向比较。这些是第三种层面的遗传物质改变的理想例子，其中包括通过外来微生物的定殖向受干扰的微生物组添加新的遗传信息。此外，入侵微生物本身在基因改变的第一个尺度上适应它们的新环境。一个研究从18例复发性真菌（隐球菌属）南非患者的脑脊液中分离出系列菌株，对复发只发生在一部分人群中的病例进行分析，以研究适应性突变是否为复发的决定因素，最终表明隐球菌微进化对人类中枢神经系统决定疾病转归的重要性。

在生境间微生物组的交换

由于DNA的亚基因组区域是在单个微生物之间共享的，所以全基因组或基因组集合可以在微生物组之间共享，这是遗传变化第三个层面的特征。虽然致病性和定植是单个基因组利用新宿主生态位的众所周知的例子。多基因组转移的规则和过程刚刚开始得到阐明，生物组转移的一些最明显的例子是通过拥有可区分的微生物群落的共同饲养的定菌小鼠提供的。共同饲养含有营养不良或健康儿童微生物组的小鼠，发现来自健康个体的微生物可重复地转移到含有不健康微生物组的小鼠体内，这种转移改善了由不健康微生物组引起的发育迟缓。微生物定殖的决定因素在很大程度上仍然是未知的，也是未来研究的一个富有成效的领域。也许最具临床相关性的微生物组转移的例子涉及艰难梭菌感染（CDI），通常是医院内获得的，估计每年会引起500,000例感染，其中超过15例是复发性的。粪便微生物群移植（FMTs）是复发性CDI的一种有前景的治疗方法，其目标是恢复微生物群的定植抗性。接受者的肠道微生物组转换为高保真度地匹配供者的特征，看来，尽管人与人差异很大，但确实存在一个选择压力用来表征人类肠道的生态系统核心概况，这些选择性压力的定量表征将是微生物组导向和衍生治疗领域的关键未来任务。

结论

不同人体部位的细菌定植的特点是在具有罕见等位基因固定的群体内持续的克隆干扰，以及在基因和操纵子水平上谱系之间的适应性平行。
这些适应似乎富含与共生微生物的碳源利用有关的基因或与病原体的毒力基因有关的基因，而在病原体中常常识别出超变异表型，但它们并不在共生体中（也许是对抗生素治疗的反应）。

讨论

虽然病原体具有明显的临床相关性，但进一步的研究可以阐明微生物组的其他成员对感染的反应，这可以提示慢性炎症疾病的转归。
大多数微生物谱系追踪研究缺乏对基因组调控区域的适应性以及可能产生的影响的分析。谱系追踪研究缺乏对基因组调控区域的适应性以及可能产生的影响的分析。

未来展望

这些研究可以通过转录分析来补充。例如当我们设计益生菌用于递送生物制剂和调节微生物组时，需要做更多的工作来评估在健康或疾病背景下肠道益生菌进化的风险。
目前的技术挑战包括区分常驻菌株的进化和相关菌株的入侵以及解决宿主相关微生物群落中密切相关的菌株。
直接从宏基因组中组装基因组是一种很有前途的方法，可以利用短读测序来帮助鉴定菌株水平的变异。
将多种培养条件与基于质谱或测序的鉴定相结合的培养技术的进步，允许传统上难以分离的微生物群成员。
单细胞测序规避了培养带来的限制，并提供了鉴定菌群内微生物适应所必需的分辨率。
一个令人兴奋的未来前景是改善疾病背景下应变水平变化与患者结局的相关性，这可能使更个性化的治疗策略成为可能。

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