你的微生物群塑造了你的生活,但它是从哪里来的?

时间:2022年2月14日
来源:Carnegie Institution for Science

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肠道微生物群是一个由数百到数千种生活在人体内的微生物组成的生态系统。这些人口影响我们的健康、生育能力,甚至我们的寿命。但是他们首先是如何到达那里的呢?新的研究揭示了组成我们每个肠道微生物群的细菌群落是如何获得的关键细节。这些发现对粪便移植和益生菌管理等治疗具有重要意义。

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由卡内基的William Ludington领导的合作研究揭示了组成我们每个个体肠道微生物群的细菌群落是如何获得的关键细节。这些发现发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上,对粪便移植和益生菌管理等治疗具有重大意义。

Ludington解释说:“个体之间的微生物群组成存在着巨大的差异。例如,如果你看一下所有适应生活在人类胃肠道系统的细菌种类的总和,大多数人并不存在这些细菌。这就是这些肠道微生物群的多样性。”

遗传、饮食和环境等多种因素的组合导致了我们微生物群之间的差异。但是,这些输入信息和成功占领我们肠道的物种之间并没有直接的联系。每次我们接触到一种新的微生物时,它是否会被吸收并成为我们肠道生态系统的一员,都有一个机会因素在起作用。Fraser和他的合作者们开始了解影响这一殖民过程几率的因素。

尽管许多研究人员已经研究了自然种群中的微生物群落组成,但很少有人试图利用受控环境来揭示新物种成功加入肠道微生物生态系统的过程。Ludington和他的合作者——Simon Fraser大学的Eric Jones和David Sivak以及加州大学圣巴巴拉分校的Jean Carlson——开发了一种新的生态模型来理解我们如何获得特定的微生物组合,这些微生物对我们特定的肠道菌群来说是个体的。

在果蝇相对不那么复杂的微生物群落中进行的研究表明,接触一种微生物物种并不能保证它成功地融入到微生物群落生态系统中。他们发现,微生物组的状态,以及现有微生物组成员物种之间的相互作用,决定了新遇到的细菌是否被添加到混合物中。

Sivak说:“即使在基因完全相同的果蝇中,生活在相同的住所,吃相同的食物,我们也看到了微生物组组成的变化。”

然后,研究人员利用这些结果建立了数学模型,可以探索越来越复杂的场景,通过这些场景可以获得新的微生物群落物种,从而使他们突破性地理解了形成微生物群落生态系统成员关系的群落因素。

Ludington说:“把微生物群的组成想象成一个大型聚会,社会动态决定了谁早走谁留到天亮。”

这篇论文的第一作者Jones补充说:“细菌定植取决于我们刚刚开始了解的一些复杂因素。例如,我们发现,一些物种群体促进了彼此的殖民,因此更有可能共存。”

这些群体间的相互作用对于微生物群如何在个体之间传播具有令人兴奋的意义,包括医疗专业人员如何将一个人的微生物群推向所需的组成。

Fraser说:“我们采用的数学方法的美妙之处在于,它承认殖民是一个骰子,但我们现在能够将骰子的权重归因于生物相互作用,分子基础已被进化磨砺。”

该团队的发现为定量研究粪便移植和益生菌等疗法所依赖的机制提供了一个框架,朝着个性化微生物组医学的最终目标前进。


Eric W. Jones, Jean M. Carlson, David A. Sivak, William B. Ludington. Stochastic microbiome assembly depends on context. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022; 119 (7): e2115877119

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