Nature子刊新發“腸菌數據庫”：麻省理工分離了近8000種人類腸菌

麻省理工和Broad研究所的研究人員近日宣布，一個由7758株人類腸道細菌分離株組成的數據庫“BIO-ML”正式上線。

這些細菌分離株來自OpenBiome的人類健康FMT（糞菌移植）供體，它涵蓋了目前發現的人類腸道中大多數系統發育多樣性。OpenBiome是首家糞菌銀行，這些糞便供體都來自波士頓地區。

他們報告了3632株分離株的全基因組序列（WGSs），這些分離株主要覆蓋人體腸道中6個主要細菌門：放線菌Actinobacteria、擬桿菌Bacteroidetes、厚壁菌Firmicutes、梭桿菌Fusobacteria、變形桿菌Proteobacteria和疣狀體菌Verrucomicrobia，讓研究者能在體內外測試和預測表型，如代謝能力或抗生素耐藥性。

研究人員收集了約90人的糞便樣本，并對其中一些樣本持續跟蹤達2年，以得到腸道菌群16 S、宏基因組和代謝組學數據在時間線上的變化。

我們已經知道，人類的消化道中存在數萬億的細菌細胞。雖然已有大量研究表明：腸道菌群會隨著時間的推移而變化和進化，但科學家們觀察到這一點的機會還不多——尤其是嚴格的人體腸道厭氧菌，直到最近才被認為可以實現體外培養，因而對它們的密集取樣還有很大空白。

BIO-ML數據庫所示的人類腸道菌群分離物。研究人員設計并實施了在純培養基中培養、分離和儲存大量厭氧腸道細菌菌株的方案，如阿克曼氏菌Akkermansia muciniphila和糞桿菌Prausnitzii

作者之一、麻省理工學院微生物組中心主任Eric Alm說，“這些分離菌株樣本助于揭示人體腸道菌群的動態變化，讓科學家們開發應對各種疾病的新療法”。

研究人員在報告中舉了一些例子，說明了如何利用這些數據更好地了解人體內和人與人之間腸道微生物群的生態進化動態。

1.案例“bk”

研究人員觀察到，每個個體都有一個獨特的“微多樣性（micro-diversity）”，它由密切相關的菌株組成。

但是，菌株的系統發育也并不完全與它們的基因含量相符。即：細菌菌株的基因庫在進化過程中是可塑的。

舉個例子，這種基因庫的快速轉換（turnover）可以在供體“bk”中觀察到：有兩個不同的B. adolescentis菌株經歷了50-kb基因簇的聚合丟失（下圖f）。

人體腸道共生細菌的快速基因組進化

因此，在個體的生命周期中，菌株的基因組含量和功能可能會發生變化，這可能是由于宿主特定的環境因素，或者微生物之間的相互作用而引起的。

2.案例“am”

在另一個案例中，研究人員發現，供體“am”被多個遠緣相關血尿桿菌Turicibacter sanguinis菌株連續定植，這些菌株在取樣期間迅速相互取代——一株T. sanguinis菌株幾乎一夜之間就完全取代了同一物種的相關菌株：

T. sanguinis是一種孢子形成菌，它在腸道中的豐度較低。這些菌株的快速轉換（turnover）可能是遠緣相關菌株的混合物中孢子開花的結果，也可能由連續的定植事件和應變位移引起。

通過縱向數據集分析，研究人員發現，無論是在分類群還是廣泛的功能分類方面，每個人都有一個穩定和獨特的微生物群結構。

然而，在給定ASV（相當于100%的OTU）和COG條件下，菌群類別的相對豐度每日大幅波動，但中位數保持相對恒定。

那么，收集多少數據值才能讓誤差最小化？研究人員說，他們的答案是：5到9個時間點。

研究小組測量和分析了47930個代謝特征，發現受試者糞便中的代謝物含量隨時間顯著變化。

這些代謝物包括幾種氨基酸，如絲氨酸、賴氨酸、谷氨酰胺、酪氨酸和瓜氨酸，以及維生素，如煙酸和泛酸鹽，以及一些膽固醇酯。

研究人員認為，氨基酸的這些變化可能是由于飲食、炎癥或結腸的細胞損傷引起的。

然而，不同人群中微生物組成的差異，則與膽汁酸水平密切相關。但究竟是什么導致了氨基酸和膽汁酸水平的差異，科學家們暫時還不清楚。

菌株多樣性在人類宿主中是一個廣泛存在的現象。越來越多的新研究指出，同一物種的菌株之間的功能差異，也會影響人類健康。比如：

• 菌株水平的差異會影響飲食化合物的代謝，如低聚半乳糖或不可消化纖維；

• 細菌介導的藥物代謝在不同菌株間也可能不同，它們會影響藥物療效和毒性；

• 毒力基因的基因組變異，可以改變菌株的致病性；

• 不同的菌株可引起不同的免疫反應，如細胞因子的產生。

迄今對人體腸道微生物群的橫斷面和縱向調查，推動了大量“腸道菌群”如何影響健康的假設。

本文作者認為，微生物組研究的下一階段，要求我們開始用細菌分離物直接測試這些假設。

“全面的、高分辨率的細菌分離數據庫，為研究我們的生活方式如何影響腸道微生物群、新陳代謝和炎癥的機制提供了可能”，MIT研究員、作者之一Mathieu Groussin說。