从5分到10分的微生物组扩增子测序文章，它们的共同点？| 微生物专题
Nature Communications (IF 11.878)：肠道菌群可因缺氧促使BMSCs早衰[1]
全身性慢性缺氧是许多疾病的特征，并可能影响骨髓（Bone Marrow, BM）和肠道微生物群落之间的通信。在本项研究中，课题组将紫绀型先天性心脏病（Cyanotic Congenital Heart Disease, CCHD）患者作为全身慢性缺氧的人类疾病模型，分析了慢性缺氧性患者在全身缺氧状态下骨髓间充质干细胞（Bone Marrow mesenchymal Stem Cells, BMSCs）与肠道微生物组的关系。观察到CCHD患者的BMSCs出现早衰表型，代谢组学结果显示D-半乳糖出现异常蓄积。16S测序（PE250，V3-V4）和宏基因组测序发现这些患者所经历的缺氧导致肠道微生物群落多样性的改变，Lactobacilli（乳酸杆菌属）和降解D-半乳糖的酶含量显著减少（图1）。
图1 深度缺氧导致肠道菌群失调
进一步在缺氧大鼠模型上，观察到同样的表型，并补充Lactobacilli后可缓解D-半乳糖的蓄积，并恢复缺陷的BMSCs。而口服补充Lactobacilli可增强缺氧患者的BMSCs的功能，为系统性缺氧下患者的个性化细胞治疗提供了实验证据。
图2 肠道菌群可因缺氧促使BMSCs早衰的机制图
生理状态下，骨髓腔中处于相对的缺氧状态，而这种缺氧环境通常被认为是维持干细胞正常生理功能和自我更新所必需的。然而，CCHD诱导的慢性深度缺氧导致肠道微生物群落多样性改变，Lactobacilli明显减少，降解D-半乳糖的酶减少。血液中累积的D-半乳糖和BM通过活性氧的蓄积诱导BMSCs早衰。
EBioMedicine (IF 6.68)：结直肠癌患者的肠道菌群会促进小鼠肠腺瘤形成[2]
越来越多的证据表明肠道菌群失调与结直肠癌（CRC）之间存在密切关系，90%以上的CRC由腺瘤发展而来。在本项研究中，课题组探讨了肠道菌群失调在肠腺瘤发生发展中的重要作用。通过对抗生素处理之后的Apc min/+小鼠进行CRC患者或健康对照的粪菌移植，发现CRC患者肠道菌群可破坏小鼠肠道物理、化学和免疫屏障，诱发慢性炎症，促进小鼠肠道肿瘤形成。结合肠组织的组织病理学、WB和RNA-seq分析，以及粪便的16S扩增子测序（PE250，V3-V4）和短链脂肪酸检测，找到诱发小鼠肠腺瘤形成的机制在于肠道菌群可以改变肠道组织基因表达谱，激活参与肿瘤形成的Wnt信号通路（图3）。
图3 CRC患者的肠道菌群促进Apcmin/+[A3] 小鼠的肠腺瘤形成
CRC患者的肠道菌群会破坏肠道屏障，诱导慢性低度炎症，并激活Wnt信号通路。出现病原菌丰度增加，而产生SCFAs的菌的丰度和SCFAs的产量下降。CRC患者的肠道菌群会促进 Apcmin/+小鼠的肠腺瘤形成。
Am J Obstet Gynecol (IF 6.12)：口服甲硝唑对阴道菌群的影响及治疗失败的相关因素[3]
甲硝唑是细菌性阴道病的一线治疗药物，但治愈率欠佳，复发率高。在本项研究中，课题组使用显微镜检查和16S rRNA基因测序（PE250，V3-V4）评价7天口服甲硝唑治疗对卢旺达细菌性阴道病患者阴道菌群的影响，以及治疗失败的相关因素。研究发现甲硝唑治疗可减少细菌性阴道病相关厌氧菌，但效果不如预期，并会增加lactobacilli（乳酸杆菌），病原菌未受到影响（图4）。治疗失败与治疗前高水平的Gardnerella vaginalis（阴道加德纳菌）或致病菌有关。16S测序数据解释了为什么甲硝唑治疗与次优治愈和高复发率相关。治疗前携带高水平加德纳菌的患者可能需要生物膜破坏治疗，而治疗前携带高水平病原菌的患者可能需要额外的抗生素治疗。
图4 治疗前后16S rRNA基因测序数据的热图
Scientific Data (IF 5.929): 334头泌乳中期荷斯坦奶牛的瘤胃细菌组[4]
反刍动物借助于瘤胃中的细菌，能有效地将人类不能食用的植物纤维转化为可食用的食物（肉和奶）。但目前对奶牛瘤胃菌群的认识还很有限。在本项研究中，课题组使用16S rRNA基因测序（PE250，V3-V4）测定了334头泌乳中期荷斯坦奶牛瘤胃细菌组。共获取了24,030,828个raw reads，每个样本平均获得了71,946±13,450条序列。相对丰度最高的前10个属占细菌总序列的60.65%。这10个属是Prevotella_1、Prevotella_7、Rikenellaceae_RC9_gut_group、Christensenellaceae_R-7_group、Ruminococcaceae_NK4A214_group、Ruminococcaceae_UCG-014、Ruminococcus_1、Ruminococcus_2、Succinivibrionaceae_UCG-001和Succinivibrionaceae_UCG-002，它们属于丰度最高的3个门：Firmicutes（厚壁菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）和Proteobacteria（变形菌门）。基于97%的核苷酸序列相似性，作者总共获得了4460个OTUs（每个样本1,827±94个）。并且从334个样本中共鉴定出6,082个扩增子序列变体 (ASVs)，每个样本平均672±131个ASVs。本研究获取了迄今最多的泌乳中期荷斯坦奶牛瘤胃细菌组数据，充分利用PE250高数据量和大样本量检测的优势（图5）。
图5 物种积累箱线图与系统发育关系
作者认为，伴随高通量测序技术的不断发展，采用HiSeq PE250测序模式（编者注：目前主要采用NovaSeq PE250，NovaSeq PE250更优的微生物组测序平台 | 微生物专题）可以获取与MiSeq相同的reads长度，但测序数据量和测序质量远高于MiSeq。HiSeq PE250模式的16S rRNA基因扩增子测序具有更高的测序深度、更多的低丰度物种鉴定、更丰富的微生物群落多样性等优点，有潜力成为奶牛微生物群落研究的优先选择。
注意到了吗，这些近期研究中使用的扩增子测序都采用了高数据量的PE250模式，测定V3-V4可变区（研究者推荐高数据量PE250模式开展扩增子测序实验 | 微生物专题 ）。扩增子测序不再只是MiSeq PE300一种模式（扩增子测序，测得更长好还是测得数据更多好？| 微生物专题 ）。
参考文献
1. Xing J, Ying Y, Mao C, et al. Hypoxia induces senescence of bone marrow mesenchymal stem cells via altered gut microbiota. Nature Communications, 2018, 9(1).
2. Li L, Li X, Zhong W, et al. Gut microbiota from colorectal cancer patients enhances the progression of intestinal adenoma in Apcmin/+ mice. EBioMedicine. 2019. 48:301-315.
3. Verwijs MC, Agaba SK, Darby AC, et al. Impact of oral metronidazole treatment on the vaginal microbiota and correlates of treatment failure. Am J Obstet Gynecol 2019. pii: S0002-9378(19)31007-5.
4. Sun HZ, et al. A collection of rumen bacteriome data from 334 mid-lactation dairy cows. Sci Data. 2019 Jan 22;6:180301.
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