傅静远等Cell重大突破：人间4年，菌界几朝？(附2600字专访) | 热心肠日报

今天是第1782期日报。

今天日报的头条，我们特别报道荷兰格罗宁根大学傅静远教授团队与合作者，在国际著名学术期刊 Cell 发表的题为 The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome 的最新研究。该研究特别从人肠道菌群的基因组成（genetic makeup）的角度，系统性地分析了间隔 4 年的肠道菌群的变化、稳定性和个体特异性，基于此建立了一种能准确识别宿主个体的菌群“指纹”，并深入挖掘了菌群、代谢物和宿主表型之间的关系。我们特别附上对该研究共同通讯作者傅静远教授的专访，以飨读者。

傅静远等Cell突破：从菌群基因层面，深挖人肠道菌群“指纹”和影响健康的机制

Cell[IF:38.637]

① 分析338人间隔4年的肠道菌群，发现菌群的物种组成、代谢通路和基因组成存在一定的个体内变化和长期稳定性，多样性较高的菌群有较高的稳定性；② 不同微生物物种的基因稳定性有差异，基于高个体特异性和稳定性的微生物基因组成特征构建菌群“指纹”，在2个队列中均能准确判断不同菌群样本是否来自同一人；③ 鉴定出190个纵向的微生物-宿主表型关联和519个微生物-血浆代谢物关联，主要涉及心血管代谢特征、维生素B和尿毒素，菌群可通过血浆代谢物影响宿主表型；④ 菌群的抗生素耐药性随时间增加，或与吃肉和养殖业抗生素使用有关。

The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome
04-09, doi: 10.1016/j.cell.2021.03.024

【主编评语】肠道菌群伴随人的一生而改变，菌群的基因组成也处于动态的变化中，但相关研究还很缺乏。此外，尽管许多横断面研究报道了大量的菌群-宿主表型关联，但这些关联仍需在长期的纵向队列中进行评估。为解决这些问题，荷兰格罗宁根大学傅静远团队与合作者在Cell发表的一项最新研究中，对Lifelines-DEEP队列中的338人间隔4年的肠道菌群进行了系统性分析，特别从菌群的基因组成的层面，深入探索了肠道菌群随时间的变化、稳定性和个体特异性，首次建立了主要基于菌群基因组成特征（SNP和SV）的菌群“指纹”，能准确判断不同时间点的菌群样本是否属于同一人。该研究进一步分析了菌群与51个人体表型和1183个血浆代谢物之间随时间变化的纵向关联，并通过中介分析探究了三者的因果性关系，挖掘出特定微生物在心血管代谢疾病中的潜在作用机制。该研究还评估了抗生素耐药和毒力因子基因在肠道菌群中的纵向变化，及其背后的可能原因。不论是在方法创新还是研究发现的信息量上，这项研究都非常值得专业人士关注！（@mildbreeze）

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傅静远，博士，现任荷兰格罗宁根大学医学中心系统医学教授，研究领域包括宿主和肠道菌群在代谢及免疫的相互作用，以及对人体健康的影响。研究项目涉及大数据群体水平研究，例如荷兰 LifeLines 项目，跟踪分析近 17 万个体 30 年，分析遗传、饮食、环境、肠道菌群及社会经济因素对疾病和性状的影响，以达到个体化、精准化医疗。

问：祝贺傅老师与团队的这项重要工作在 Cell 发表！可否请您先介绍一下这项研究的由来和团队成员的分工？

答：我们团队于 2012 年开始 Lifelines-DEEP 队列的粪便采样，开展肠道菌群研究，2016 年首先在 Science 上发表了横断面的肠道菌群与宿主健康、生活习惯及环境的关联研究。

同时我们也意识到，肠道菌群会随着时间的推移、环境的变化和宿主健康的发展也产生变化。利用这种变化的信息，纵向队列研究可以对菌群-环境-健康之间的因果关系提供证据。但是，对于成年人而言，在一定时间内健康与环境因素相对稳定，因此纵向队列的研究不得不需要比较长的时间才能看到变化。目前，长期纵向队列研究目前还比较稀少。

借助于我们 Lifelines 队列的长期跟踪性，我们对 Lifelines-DEEP 队列中随机 338 名个体进行了 4 年后跟踪采样，从而完成了此次研究。

Lifelines-DEEP 的肠道菌群研究由我和 Alexandra Zhernakova 教授共同领导，我偏重于代谢和多组学联合分析，而 Zhernakova 教授更偏重于免疫和宿主遗传分析。这次研究工作由两位来自中国的，非常优秀的博士生共同完成，担任共同第一作者。陈连民同学主要负责 SNP 和代谢的分析，而王道明同学则负责了菌群的结构变异的分析。

问：您们这项研究可谓工作量和信息量巨大。可否请您从研究者的角度，介绍一下这项研究的主要亮点和突破？对于未来的肠道菌群研究以及大众百姓的现实生活，有哪些启示和借鉴意义？

答：首先，在信息层面上，这是首次长期队列的菌群全基因组的分析，不光样本量目前是最大的，时效也相对最长，而且我们在两个时间点分别采样了 50  多个人体表型和 1000 多个血浆代谢物。

其次，我们这项研究深入到了菌群的基因层面。过去 5 年多来，菌群研究侧重于了菌群的组成，各个种属的定量分析。但是我们不能忽略，菌群的作用是由细菌的基因决定的。不光种属的数量可能发生变化，它们的基因组成也可能发生变异、替代和交换。因此，肠道菌群在时间上的稳定性和多变性，还需要进行多层次的分析。

对于具有高稳定性和个体性特异性的细菌，我们可以利用它们来构建菌群的个体特异图谱，从而更有效地区分哪个菌群来自哪个个体，这样的图谱也可能包含个体特性的肠道健康信息。另一方面，不稳定性的细菌可能对宿主的健康、各种生理指标和血清代谢物产生影响。构建这样的关联可以揭示潜在的因果关系，因而可以更有效地进行疾病的预防和治疗。

比如说，我们发现菌群的改变会影响人体代谢水平，从而影响宿主健康。尤其是维生素 B 和一些尿毒素，这些代谢物已知是由肠道菌群合成的。另外，细菌的抗生素耐药性是一个全球问题，我们的研究进一步证实了肠道菌群的抗生素耐药性增长得很厉害，这不单单与我们自身过量的抗生素使用有关，畜牧业中过量的抗生素使用也会导致肉类食物中的抗生素残留，从而增加我们的肠道菌群的耐药性，危害人体健康。

问：这项研究中报道的菌群“指纹”，可能有哪些应用价值和潜在的问题？

答：肠道菌群已经成为个体化医疗中的一个重要组成。但是，谈到个体化，首先要了解我们菌群在哪些方面是高特异性的。不同于我们人类基因群，菌群可能发生变化，而这个特异性的稳定性也非常重要。所以我们构建了菌群“指纹”模型，至少在 4-5 年之内可以有效的区分来自同一个体的菌群样本。

这个最直接的应用，就是在大型纵向队列研究或病人跟踪调查中用于检测混淆样品。而长效的应用就是如果这个指纹图谱与人体疾病相关，那这些特异性的信息可以稳定有效地预测在未来一定时期内个人的疾病风险。

而潜在问题是可能会引起隐私权的讨论——一旦菌群基因象人类基因一样有高特异性，是不是需要和人类基因信息一样保护起来？但是这个担忧尚无需过虑，菌群“指纹”特异性目前只有 1 年内 95% 到 4 年中 82%的准确性，而且预期时间越长，准确性越低。

问：这项研究中揭示了大量的菌群特征与血液代谢物和宿主健康表型之间的关联，并表明代谢物可能在菌群对宿主的影响中起重要介导作用。可否请您举例介绍其中几个有意思的发现？

答：我们研究发现，菌群可能通过调控人体的代谢而影响宿主健康。我们发现了 81 种代谢物同时在横断面和纵向性研究中都与菌群存在交联，有些代谢物已知与菌群代谢有关。

最典型的例子是维生素 B1，其对心血管健康有重要作用，但无法由人体合成，必需通过食物或菌群代谢获得。我们研究发现数个菌种及代谢通路与维生素 B1 有关，包括 Alistipes senegalensis。

另一类代谢物是尿毒素（Uremic Toxins），这类代谢物与各种慢性病有关，同时也与菌群的蛋白质代谢有关。我们分析了 58 种尿毒素，发现其中 16 种与菌群有显著的交联，包括对甲酚（p-cresol）及其衍生物和马尿酸等。

问：请问您觉得与目前常用的基于菌群物种和代谢功能/通路的分析方法相比，这项研究中采用的基于菌群基因组成（如 SNP 和 SV）的分析方法，在研究菌群动态变化及其与宿主疾病的关系和机制方面，有哪些相同和不同之处？又有哪些优势和劣势？

答：菌群的物种和代谢通路可以在群体水平上了解菌群的功能，但是无法准确到细菌基因层面上。目前，菌群物种分析可以较准确地到菌种水平，但是还无法到菌株水平；而我们知道，同一菌种的不同菌株，可能因某一个基因的不同而在功能上存大很大差异。物种水平无法准确代表功能水平，代谢通路只考虑到整个通路水平，而无法精解体现特定基因的差异。另外，目前我们对代谢通路的认知还很有限，许多菌种及其基因功能还未可知。

因此，在这个研究中，我们在菌种水平和代谢通路分析的基础上，还增加了基因变异的关联分析。我们发现，即便 F. prausnitzii 的数量没有发生多大变化，但基因变异分析显示，这种菌在一部分人中发生了菌株的替代，从而导致 15 种代谢物发生了显著变化。

另外，通过菌种基因结构变异分析，我们也为一些功能未知的菌株提供了一些功能性参考。比如 Blautia wexlerae，其基因组呈现了许多结构变异，这些结构变异我们一共发现了 108 个与代谢物的关联。

当然，目前这个方面的研究还存在一定局限性。首先，受短链测序技术的限制，我们只能在有限的高丰度菌种中获得基因变异数据，比如这个研究中我们大致测了 37 个菌种的单位点变异和 41 个菌种的结构变异。另外，分析结果还需要进一步的实验验证。

问：可否请您简单介绍一下您和团队未来的研究方向？

答：我们目前测重于两个相辅相成的研究方向。

一方面，我们将继续大型队列的研究。目前我们完成了 Lifelines 队列 8000 多个参与者的全基因组测序，并将继续跟踪纵向采样。我们的研究重点也将从菌种和代谢通路水平，深入转向基因变异水平的分析。

另一方面，团队将结合各种功能性研究，加强对机制的理解，并实施成果转化。其中一个重要的项目是我刚刚获得的欧盟 CONSILIDATOR 项目，我们将结合细菌组学、基因组学和器官芯片技术，进一步研究宿主和菌群的相互作用机制，从而推动菌群研究的在医学、营养和健康方面的成果转化。

（采访完，以下是今天日报的其他内容）

Nature子刊：房刚团队报道检测细菌DNA甲基化新方法，助力菌群研究

Nature Methods[IF:30.822]

① 现有的针对CpG 5mC（或少量具体序列）的纳米孔测序检测方法无法有效的检测细菌中常见的三种DNA甲基化；② NanoDisco同时解决了利用纳米孔测序全新发现DNA甲基化基序遇到的两个根本问题：识别出甲基化类型和找到基序中具体被甲基化的碱基；③ 新方法有效处理PacBio测序和纳米孔测序的一些本质区别，从而实现利用三种甲基化 (6mA, 4mC, 5mC) 更好地区分菌群中不同的细菌、关联可移动原件和其宿主、以及检测宏基因组组装中的错误。

Discovering multiple types of DNA methylation from bacteria and microbiome using nanopore sequencing
04-05, doi: 10.1038/s41592-021-01109-3

【主编评语】美国纽约西奈山医学院房刚课题组在Nature Methods发表文章，从各种各样的细菌物种中生成了一个训练数据集，并开发了一种名nanodisco的新方法，利用纳米孔测序同时检测多种细菌DNA甲基化基序，并利用细菌DNA甲基化多样性增强菌群分析分辨率。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

简化宏基因组测序实现菌株水平物种分类

Microbiome[IF:11.607]

① 本文R包用于分析简化宏基因组测序(RMS)数据，基于片段聚类和使用约束的普通最小二乘反卷积来估计所有菌群的相对丰度；② 模拟群落数据集显示，即使16S 100%相同，且全基因组差异< 0.02，也具有清晰的分离菌株的潜力，这表明RMS具有非常高的分辨率；③ 作者比较了RMS和鸟枪测序，发现当群落中有许多非常密切相关的基因组时，得到了更好的丰度估计；④ 由婴儿肠道的真实数据集表明RMS能够检测大肠杆菌随时间变化的菌株多样性梯度。

Reduced metagenome sequencing for strain-resolution taxonomic profiles
03-29, doi: 10.1186/s40168-021-01019-8

【主编评语】作为全鸟枪测序的替代方法，作者研究了使用简化宏基因组测序（RMS）方法来评估菌群组成的方法。这涉及使用双重消化的限制性相关DNA测序，这意味着仅对较小部分的基因组进行了测序。通过这种方法获得的读长集具有与扩增子和鸟枪法数据不同的特性，作者在 https://github.com/larssnip/microRMS 上以R包的形式提供了一个数据分析流程。作者发现，在菌株水平上解析菌群时，RMS是宏条形码或鸟枪测序的良好替代方案。像鸟枪宏基因组学一样，它需要一个良好的基因组参考数据库，非常适合研究人类肠道或存在许多参考基因组的其他菌群。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

Science子刊：无创测定胃肠道内的胆盐水解酶活性的新方法

Science Advances[IF:13.116]

① 开发一种基于超灵敏生物发光成像的方法，采用合成的 “胆盐水解酶（BSH）活化的萤光素”探针，能快速、低成本地测定BSH活性；② 该方法可测量多种样本（如酶、细菌、粪便）的BSH活性，还能用于活体动物的实时无创成像，以及评估小鼠和人整个胃肠道中的BSH活性；③ 该方法可用于益生菌的体内筛选、评估特定益生元对肠道菌群BSH活性的影响、对炎症性肠病患者的临床状态进行无创诊断等。

Noninvasive imaging and quantification of bile salt hydrolase activity: From bacteria to humans
02-03, doi: 10.1126/sciadv.aaz9857

【主编评语】肠道菌群的胆盐水解酶（BSH）在人类健康中有重要作用，但由于缺少测量其活性的测量方法，人们对BSH的功能研究受到了限制。Science Advances近期发表一项方法学研究，报道了一种能在多种生物学样本和情境下测定BSH活性的方法，在益生菌和益生元研究以及临床诊断等方面具有应用前景。（@mildbreeze）

Nature子刊：基于生态学的算法，预测人肠道微生物间的互养作用

Nature Communications[IF:12.121]

① GutCP是一种基于生态学的计算方法，结合了机器学习技术和微生物组生态学模型，能用于推断和预测人肠道菌群中的微生物互养作用；② 基于72种人肠道微生物和221种代谢物，用GutCP预测出293个微生物互养作用，并绘制其网络图谱；③ 近65％的预测的微生物互养作用得到了基因组注释的支持，为实验提供了证据；④ 该方法或能极大地改善人类肠道微生物组现有模型的预测潜力，以及预测肠道代谢特征的能力。

Ecology-guided prediction of cross-feeding interactions in the human gut microbiome
02-26, doi: 10.1038/s41467-021-21586-6

【主编评语】互养作用是指一种生物利用另一种生物的代谢物来生长/生存的现象。在肠道菌群中，互养作用是不同微生物间建立相互作用的重要机制。Nature Communications近期发表的研究报道了一种能预测人肠道菌群中的微生物互养作用的算法，或能为建立基于宏基因组学和代谢组学的菌群内因果互作关系的模型，提供助力。（@mildbreeze）

翟齐啸团队：饮食和菌群如何调节肠道黏蛋白糖基化？（综述）

Carbohydrate Polymers[IF:7.182]

① 黏蛋白糖基化在调节肠道菌群、维持黏液屏障及免疫信号传导等方面起着重要作用；② 宿主免疫等因素调节黏蛋白糖基化，IBD、大肠癌等肠道疾病伴随着肠上皮特定糖基化改变；③ 肠道微生物通过脂多糖、黏附素、糖苷酶、代谢产物（SCFAs、色氨酸代谢物）等调节黏蛋白糖基化；④ 膳食成分（如脂肪、纤维、益生元、蛋白质和食品添加剂）会影响黏蛋白糖基化和黏膜稳态；⑤ 未来或可为IBD、大肠癌等患者提供靶向黏蛋白糖基化的个性化饮食以辅助治疗。

The effects of diet and gut microbiota on the regulation of intestinal mucin glycosylation
01-19, doi: 10.1016/j.carbpol.2021.117651

【主编评语】江南大学翟齐啸团队近期在Carbohydrate Polymers发表综述，探讨了肠道的黏蛋白糖基化在肠道疾病中的作用，重点总结了影响宿主免疫、肠道菌群和饮食等因素对黏蛋白糖基化的影响，并对基于黏蛋白糖基化的个体化干预进行了展望，推荐专业人士参考。（@mildbreeze）

国内团队：大麦叶通过菌群产物缓解结肠炎

Microbiome[IF:11.607]

① 大麦叶（BL）可改善结肠炎模型小鼠的结肠炎症和肠道菌群失调（抑制细菌丰富度和多样性下降，变形杆菌/肠杆菌丰度增加）；② 同时，代谢谱分析表明，在BL诱导的代谢重编程中，糖酵解通路富集；③ BL促进肠道菌群（如乳杆菌）衍生物肌苷的富集，肌苷可通过PPARγ通路作用于结肠上皮细胞，进而对结肠起到保护作用；④ 外源性肌苷补充可通过PPARγ通路产生与BL类似的保护作用，而抑制PPARγ信号可消除BL的保护作用。

Gut microbiota-derived inosine from dietary barley leaf supplementation attenuates colitis through PPARγ signaling activation
04-05, doi: 10.1186/s40168-021-01028-7

【主编评语】大麦叶在中药中的应用历史悠久，对肠道功能具有潜在的促进作用。然而，其作用机制尚不清楚，中国农业大学陈芳团队的一项研究结果表明，大麦叶可促进肠道菌衍生物肌苷的产生，肌苷可通过PPARγ通路作用于结肠上皮细胞，进而对结肠起到保护作用，外源补充肌苷也可起到同样的效果，该研究发现一种新的可通过菌群衍生物肌苷治疗结肠炎的方案。（@Vera）

南京中医药大学：肠道菌群与更年期动脉粥样硬化

Gut Microbes[IF:7.74]

① 高脂喂养导致卵巢ApoE−/-小鼠（M鼠）出现明显动脉硬化、脂肪肝和高脂血症，脂质代谢和转运相关酶的mRNA水平分别升高和降低，而移植正常饮食的小鼠或经雌激素处理的M鼠的粪便可改善上述变化；② 与高脂喂养的未去卵巢小鼠相比，M鼠血浆中的胆固醇酯、甘油三酯、磷脂等脂代谢产物丰度更高，且肠道菌群多样性和组成明显改变，而补充雌激素可逆转上述变化；③ 肠道菌群和脂质代谢产物显著相关，表明血脂变化或与肠道菌群的破坏有关。

The gut microbiota during the progression of atherosclerosis in the perimenopausal period shows specific compositional changes and significant correlations with circulating lipid metabolites
03-11, doi: 10.1080/19490976.2021.1880220

【主编评语】动脉粥样硬化（AS）在围绝经期加重，显著增加心血管疾病的发病率，肠道菌群的破坏与AS或绝经有关，但在围绝经期与AS相关的肠道菌群的具体变化在很大程度上仍不清楚。近期南京中医药大学卞慧敏、单进军与研究团队在Gut Microbes发表了关于围绝经期动脉粥样硬化进程中肠道菌群变化及其与循环脂质代谢产物关联的研究，并提示对于围绝经期补充雌激素可能对肠道细菌和脂质代谢产生有益作用。（@mildbreeze）

国内团队：抗生素可损害肠屏障和肝脏抗病毒免疫

Frontiers in Immunology[IF:5.085]

① 共生肠道菌群可保护肠外器官的免疫防御能力；② 抗生素导致的肠道菌群减少会削弱宿主的抗病毒免疫反应并改变乙型肝炎病毒（HBV）感染的结局；③ 抗生素导致肠道菌群减少使结肠上皮的完整性受损， 共生细菌可以转移到肝脏 ；④ 肝脏中T细胞的抗病毒功能受损，这部分依赖于PD-1表达的增强，而且HBV的免疫清除受到阻碍；⑤ 肠道菌群减少延长了小鼠的HBV感染；⑥ 抗生素导致的肠道菌群减少损伤了肠道屏障功能，抑制肝脏中T细胞的抗病毒免疫反应。

Depletion of Gut Microbiota Impairs Gut Barrier Function and Antiviral Immune Defense in the Liver
03-25, doi: 10.3389/fimmu.2021.636803

【主编评语】抗生素引起的肠道微生物群减少可损害宿主抗病毒免疫反应并改变乙型肝炎病毒（HBV）的感染结果。然而，肠道微生物群如何调节肝脏的抗病毒免疫反应仍不清楚。华中科技大学同济医学院附属协和医院的Wang Junzhong和王宝菊与团队在Frontiers in Immunology上发表文章，发现抗生素的使用导致肠道微生物群减少，破坏肠道屏障的完整性，共生菌转移到肝脏，肝脏中T细胞的抗病毒反应被抑制，导致HBV感染延长。这提示我们谨慎使用抗生素。（@爱的抉择）

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，刘永鑫-中科院-宏基因组，Sophia，Chengkai，大力，lzm，临床营养陈彬林，orchid

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