3篇高分论文：利用宏观生态学原理研究菌群渐入佳境 | 热心肠日报

今天是第1669期日报。

刘洋彧团队：破译人类菌群的功能冗余性

Nature Communications[IF:12.121]

① 构建人类菌群的基因内容网络（GCN，一个连接微生物及其基因的加权二分图），能定量描述菌群中不同微生物的功能重叠，并计算任意给定菌群样本的功能冗余性（FR）；② 人类菌群的GCN具有多种特定的结构特征（比如高度嵌套性结构、基因度分布的高度异质性）与人类微生物样本的高FR相关；③ 这些结构特征在简单的基因组演化模型中能够重现，适度的选择压力和较高的水平基因转移率是促进菌群高FR的关键因素；④ 分析粪菌移植（FMT）的临床数据表明，受体原有菌群的高FR会阻碍供体菌群的定殖，提示FR可作为衡量菌群韧性的指标，预测菌群对FMT等扰动的响应。

Deciphering functional redundancy in the human microbiome
12-04, doi: 10.1038/s41467-020-19940-1

【主编评语】人类菌群在分类学组成上有着很大的个体差异，但在菌群的基因组成——或者说功能能力上，又是高度保守的。这种现象可以用一个生态学术语来描述，即“功能冗余性”（FR）。FR被认为是菌群的稳定性和韧性（抗扰动）的基础，但是这一假说仍缺乏量化数据的支持。人类菌群的FR从何而来？如何量化？对基于菌群的疗法有何重要意义？哈佛医学院的刘洋彧团队近期在Nature Communications发表的研究，为解答这些关于人类菌群FR的问题提供了重要的理论基础。他们通过构建人类微生物组的基因内容网络（GCN），首次对菌群样本的FR进行了量化计算，并揭示了有助于形成高FR的关键的演化和生态学因素。他们进一步使用该框架分析了粪菌移植的临床数据，表明FR可作为衡量菌群韧性的指标，为预测基于微生物组的疗法（如FMT、益生菌干预等）的效果，提供重要的指导和参考信息。（@mildbreeze）

Nature子刊：用宏观生态动力学表征肠道菌群

Nature Microbiology[IF:15.54]

① 肠道菌群是一个动态的生态系统，定量的宏观生态学框架可以表征和理解其复杂动态；② 与其他生态系统一样，肠道菌群的动力学特性可以通过多种稳健的尺度关系来表征；③ 幂律关系描述了肠道菌群丰度的短期和长期变化，物种的滞留和返回时间，以及物种丰度的均值和时间变异之间的相关性；④ 尺度定律在接受不同饮食的小鼠中发生了变化，并受到人类特定情境的扰动的影响；⑤ 用宏观生态关系揭示特定的细菌类群，其动态受到饮食和环境变化的影响。

Macroecological dynamics of gut microbiota
04-13, doi: 10.1038/s41564-020-0685-1

【主编评语】肠道菌群是一种动态的生态系统，但我们目前对控制微生物动力学的生物学过程仍然知之甚少。Nature Microbiology近期发表的一项研究，利用宏观生态学方法分析人和鼠的肠道菌群时序数据，表明如同其他的宏观生态系统一样，肠道菌群的动态也可以通过多种定量关系来表征，并利用观察到的宏观生态关系鉴定了受环境变化影响的特定细菌类群。（@mildbreeze）

Nature子刊：用宏观生态学定律研究微生物群落

Nature Communications[IF:12.121]

① 从宏观生态学的角度研究微生物群落中的物种存在和丰度的变化；② 确定了3个宏观生态学定律：丰度波动分布（AFD）、泰勒法则和平均丰度分布（MAD），可定量地描述菌群的横断面和纵向的物种丰度波动；③ 使用这3个定律，可以预测物种的存在与否、多样性以及通常研究的宏观生态学模式；④ 提出一个基于环境随机性的数学模型（随机逻辑模型），定量地预测了3种宏观生态规律以及群落动态的非平稳性。

Macroecological laws describe variation and diversity in microbial communities
09-21, doi: 10.1038/s41467-020-18529-y

【主编评语】Nature Communications近期发表的一项理论研究，表明用3个宏观生态学定律可以定量地描述菌群中的物种丰度和多样性的变化性，对于微生物生态学研究具有借鉴意义。（@mildbreeze）

谢鹏+王刚+胡少华：绘制重度抑郁症的肠道生态系统图谱

Science Advances[IF:13.116]

① 分析重度抑郁症患者（MDD，311位）和健康对照（HC）的肠道病毒组、肠道细菌组和粪便代谢组，鉴定出3种噬菌体、47种细菌和50种粪便代谢物的丰度在两者之间具有显著差异；② MDD的主要特征是拟杆菌属的丰度增加，而劳特氏菌和真细菌属的丰度减少；③ 多层次的组学改变产生了一个典型的MDD共表达网络；④ 受干扰的微生物基因和粪便代谢物都与γ-氨基丁酸盐、苯丙氨酸和色氨酸等氨基酸代谢有关；⑤ 鉴定出一个组合性标志物可用于区分MDD和HC。

Landscapes of bacterial and metabolic signatures and their interaction in major depressive disorders
12-02, doi: 10.1126/sciadv.aba8555

【主编评语】重庆医科大学第一附属医院谢鹏、首都医科大学北京安定医院王刚和浙江大学医学院第一附属医院胡少华合作在Science Advances上发表文章，利用全基因组鸟枪法宏基因组和非靶向代谢组学的方法对重度抑郁症患者（MDD）和健康对照（HC）进行肠道病毒、细菌和粪便代谢物的分析，鉴定出两者之间的差异特征，并形成一个组合性鉴定标志物可区分MDD和HC。此外，MDD中受干扰的微生物基因和粪便代谢物都与氨基酸代谢相关。研究加深了我们对肠道生态系统在MDD病理中作用的理解。（@爱的抉择）

焦虑及抑郁患者的肠道菌群变化

Clinical Psychology Review[IF:9.904]

① 纳入26项研究，总结焦虑及抑郁与肠道菌群的关联；② 17项研究对比抑郁症患者与对照，2项研究对比广泛性焦虑障碍（GAD）患者与对照，1项研究对比抑郁、焦虑或抑郁+焦虑患者与对照；③ 肠道菌群的α-多样性及β-多样性与焦虑及抑郁的关联在不同研究中结果并不一致；④ 肠杆菌科、脱硫弧菌属等促炎症细菌分类群的较高丰度、短链脂肪酸产生菌的较低丰度与焦虑及抑郁相关；⑤ 部分细菌分类群可能通过将外周炎症传递入脑，与焦虑及抑郁产生因果关联。

The gut microbiota in anxiety and depression – A systematic review
11-29, doi: 10.1016/j.cpr.2020.101943

【主编评语】Clinical Psychology Review上发表的一篇系统性综述，通过对26项研究（包括20项病例-对照研究）进行总结，分析肠道菌群变化与焦虑及抑郁的关联，发现在焦虑及抑郁患者的肠道菌群中，促炎症菌富集，而短链脂肪酸产生菌减少。机制上，特定细菌可能通过肠-脑轴将外周炎症传递入脑，在焦虑及抑郁的发病机制中起重要作用。（@szx）

刘学波团队：膳食纤维缓解肥胖雌鼠的产后抑郁

Journal of Agricultural and Food Chemistry[IF:4.192]

① 高脂饮食诱导雌鼠的产前肥胖；② 高膳食纤维（菊粉）摄入可缓解雌鼠的肥胖并改善糖耐量，同时可改善高脂饮食诱导的雌鼠产后的认知障碍、抑郁及焦虑样行为；③ 高膳食纤维摄入可上调雌鼠脑中的5羟色胺、去甲肾上腺素及神经营养因子表达，增加海马中的突触后致密区长度及突触后致密蛋白表达，并抑制神经炎症；④ 高膳食纤维摄入可增强肠道屏障功能、调控肠道菌群组成、增加粪便短链脂肪酸水平；⑤ 粪便短链脂肪酸水平升高与行为改善呈正相关。

High-Dietary Fiber Intake Alleviates Antenatal Obesity-Induced Postpartum Depression: Roles of Gut Microbiota and Microbial Metabolite Short-chain Fatty Acid Involved
11-05, doi: 10.1021/acs.jafc.0c04290

【主编评语】产前肥胖可增加产后抑郁的风险。西北农林科技大学的刘学波、刘志刚与团队在Journal of Agricultural and Food Chemistry上发表的一项最新研究，发现摄入膳食纤维（菊粉）可显著改善高脂饮食诱导的雌鼠产后的认知障碍、焦虑及抑郁，并上调神经递质表达、抑制神经炎症、改善肠道屏障功能、调节肠道菌群、增加粪便中的短链脂肪酸水平，而后者与雌鼠行为的改善相关。（@szx）

多组学分析帕金森病中的肠道菌群组成和功能

Annals of Neurology[IF:9.037]

① 帕金森病（PD）患者的粪便菌群和代谢组的组成，与健康人显著不同；② PD中发生改变的粪便代谢物及其相关功能包括：有潜在神经保护作用的生物活性分子（如SCFA、辅酶Q和水杨酸），以及与神经退行性变有关的分子（如神经酰胺、鞘氨醇和TAMO）；③ PD组中，认知损伤、低BMI、虚弱、便秘和少身体活动与粪便代谢组的组成差异相关，其中低SCFA与较差的认知和低BMI相关，低丁酸水平与更差的姿势不稳定步态障碍相关。

Gut microbial ecosystem in Parkinson's disease: New clinico‐biological insights from multi‐omics
12-03, doi: 10.1002/ana.25982

【主编评语】不少研究表明，帕金森病（PD）患者存在肠道菌群改变，但其与疾病的功能性关联尚不清楚。Annals of Neurology近期发表的一项研究，纳入了104名帕金森病（PD）患者和96名对照个体，详细分析了PD中的粪便微生物组和代谢组的改变，及其与患者临床表型的关联，揭示了PD相关菌群的代谢功能变化与PD发生发展的密切关系，表明特定的肠道菌群代谢物或可作为PD的标志物和治疗靶点。（@mildbreeze）

浙大团队：在果蝇中新发现的饱足感传感器

Cell Research[IF:20.507]

① RNAi筛选实验显示，果蝇中粘激肽（DTK）及其受体TAKR99D被鉴定为摄食抑制因子；② 果蝇血淋巴中D-葡萄糖的升高激活脑内2对DTK+神经元，对摄食行为产生抑制作用；③ 脑间部区域的TAKR99D+神经元和胰岛素分泌细胞位于DTK+神经元的下游；④ DTK+神经元通过TAKR99D神经元形成了靶向胰岛素分泌细胞（已知的摄食抑制因子）的双突触回路；⑤ 摄食过程中，回路迅速被激活并停止进食；⑥ 沉默和激活这一神经回路可分别对摄食行为产生强烈的刺激和抑制作用。

A novel satiety sensor detects circulating glucose and suppresses food consumption via insulin-producing cells in Drosophila
12-03, doi: 10.1038/s41422-020-00449-7

【主编评语】对人类在内的所有动物来说，感觉饱足感是一项至关重要的生存技能。虽然在果蝇体内发现了许多调节食物摄取的神经调节因子，但饱足感的感知机制尚未清楚。浙江大学的王立铭团队在Cell Research上发表文章，在果蝇的大脑中发现一种新的饱足感传感器，可检测血淋巴中循环营养物质，进而调节进食，为研究能量稳态的神经调节提供新的视角。（@爱的抉择）

国内团队：肠-脑/癌轴对未来纳米医学的启示（综述）

ACS Nano[IF:14.588]

① 肠道共生菌可通过肠-脑轴的不同途径影响神经系统疾病；② 纳米微粒（NPs）可通过调节细菌代谢、与免疫细胞互作、触发杀菌活动等影响肠-脑轴；③ 肠-癌轴交流包括肠道细菌通过有毒代谢产物促进局部或远端癌变，以及细菌对肿瘤微环境的入侵；④ 智能NPs或降低纳米毒性、增加肿瘤靶向性，并通过调节菌群组成和引发局部及远端肿瘤免疫来改变肿瘤微环境；⑤ 设计脑部疾病和癌症的NPs，需了解肠道细菌与大脑/肿瘤互作机制，评估NPs对肠道菌群的效应。

Implications of the Human Gut–Brain and Gut–Cancer Axes for Future Nanomedicine
11-02, doi: 10.1021/acsnano.0c07258

【主编评语】最近的临床和病理证据表明，肠道菌群是调节人体稳态的一个环节，影响癌症、失智症、肥胖、社会行为等状态。菌群与人类疾病之间的联系为医学提供了许多机会，但其中大多数并没有发展出明确有效的治疗方案。来自国家纳米科学中心的陈春英、来自复旦大学的Pu Chun Ke与研究团队在ACS Nano发表综述文章，为肠-脑/癌轴的机制途径，及其对靶向癌症和神经退行性疾病的纳米药物的意义提供一个全面及时的总结。（@Lexi）

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，Jack Chen，Unbroken，爱的抉择，szx，安妤

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