文献概况
期刊信息
期刊名称：《Nature》
影响因子：50.5
学科分区：Q1
发表时间：2024-11-27
机构：纽约西奈山伊坎医学院精密免疫学研究所
文章概况
这篇文章是一项肠菌移植研究文章，发表在《Nature》期刊上，标题为“Gut microbiota strain richness is species specific and affects engraftment”。研究的主要内容包括：
1.背景：肠菌移植是否能改变受体的菌株水平结构，此外如果改变了是持续多久，此外受体菌群结构是否对肠菌移植的效果有影响，都是未知的；
2.方法：使用了多种工具和技术，包括Strainer菌株追踪算法、RStudio进行数据分析、ComplexHeatmap和circlize包生成热图、Kruskal-Wallis检验、Spearman秩相关测试、Wilcoxon符号秩检验以及vegan包生成稀疏曲线等。
3.结果：研究显示，不同物种之间的菌株丰富度（SR）存在显著差异，受体的SR越大移植传递的菌株越多（移植前如果尽可能的调理肠道内环境提高菌株丰度有助于肠菌移植后的菌株定植）；粪便微生物移植（FMT）可以转移供体的菌株丰富度到受体，表明SR是一个可以通过FMT传递的特性 ；FMT可以持久地恢复受体的健康菌株水平结构，并持续5年以上（对于儿童肠菌移植，特别是如果选择成人肠菌移植会带来持续5年以上的成人肠菌的影响）；与土壤和湖泊等开放环境相比，人类肠道中的菌株丰富度显著较低，这可能是由于肠道作为一个相对封闭的生态系统，其物理和化学条件更为稳定。
4.结论：这些发现揭示了肠道生态系统如何调控菌株丰富度，进而影响FMT和其他微生物疗法的成功率。理解这些机制可以帮助优化未来的微生物治疗方法，提高其安全性和有效性。
背景介绍
1.菌株变异在肠道微生物功能中的核心作用：
重要性：细菌菌株变异在肠道微生物群的功能中起着根本性的作用。不同菌株可能具有不同的代谢、免疫调节和其他生理功能，因此它们的存在与否可以显著影响宿主的健康状态。
现有工具和技术：近年来，一系列工具和技术（如宏基因组测序、单细胞测序、Strainer菌株追踪算法等）使得研究人员能够初步探索肠道微生物群落的菌株结构、传播和共享。
2.菌株丰富度（SR）的基本问题：
未知领域：尽管有这些技术进步，我们仍然缺乏对人类肠道微生物群落中菌株组织的基本理解，特别是每个物种能够稳定定植的唯一菌株数量（即菌株丰富度，SR）。这是理解肠道微生物群落动态变化和功能多样性的重要一步。
物种差异：宏基因组分析表明，个体内的同一物种可以表现出不同程度的多态性，这意味着不同物种在肠道中可能支持不同数量的菌株。例如，某些物种可能只维持单一菌株，而其他物种则可能支持多种菌株共存。
3.肠道生态系统的独特性：
半封闭生态系统：与海洋或土壤等开放生态系统相比，肠道是一个独特的半封闭生态位，维持恒定的温度、多样化的营养物质和单向流动的养分。这些物理参数可以影响不同菌株的生态位可用性。
4.粪便微生物移植（FMT）的应用：
FMT的潜力：粪便微生物移植（FMT）作为一种治疗手段，已被用于治疗复发性艰难梭菌感染（rCDI）等疾病。然而，FMT的成功率和效果可能受到供体和受体之间菌株丰富度差异的影响。
SR的传递性：研究表明，FMT可以有效地将供体的菌株丰富度传递给受体，说明SR是一个可以通过FMT传递的特性。
研究结果
一、人类肠道物种的平均菌株丰富度
在这项研究中，研究人员通过高通量培养和宏基因组测序，量化了常见肠道物种的平均菌株丰富度。研究人员使用了超过7,000个来自90多种常见肠道细菌的分离株进行高通量培养和宏基因组测序，以确保对每个物种的菌株多样性进行全面评估。除了人类肠道外，还对土壤和湖泊环境中的微生物进行了测序，以便比较不同生态系统中的菌株丰富度。主要的研究发现有以下几点：
①人类肠道中的平均SR：研究表明，人类肠道中不同物种的平均菌株丰富度（SR）存在显著差异。具体而言，人类健康肠道微生物群的平均SR范围在1.00到2.57之间（图1a）。这意味着某些物种可能只维持单一菌株，而其他物种则可能支持多种菌株共存。
②与环境的比较：与土壤和湖泊等开放生态系统相比，人类肠道中的菌株丰富度显著较低。这表明肠道作为一个相对封闭的生态系统，其物理和化学条件限制了菌株的多样性。
③物种特异性：不同物种的SR表现出明显的物种特异性。例如，Bacteroides fragilis几乎总是维持单一的独特菌株，而其他物种如Staphylococcus epidermidis则显示出较高的菌株丰富度
Fig | 92种人类肠道物种的菌株丰富度（SR）
a.菌株丰富度（SR）在不同物种间的差异，展示了92种人类肠道物种的菌株丰富度（SR），并使用Kruskal-Wallis检验进行了分析，结果显示不同物种之间的SR存在显著差异（P < 2.2×10^−16）。这表明每个物种在肠道中的菌株数量具有显著的物种特异性。
b.比较了本研究中使用的4,773个分离基因组的SR与从11名人类个体中独立分离的1,947个细菌基因组估计的SR。Spearman秩相关分析显示两者之间高度相关（Spearman rank correlation）。灰色区域表示95%置信区间。
c.通过Kruskal-Wallis检验比较了人类肠道、湖泊和土壤环境中物种的SR，结果显示人类肠道物种的SR显著低于湖泊和土壤中的物种（Kruskal-Wallis test），蓝点表示每个环境中特定物种的平均SR，黑点表示湖泊或土壤中所有物种的平均SR
二、影响菌株丰富度（Strain Richness, SR）的因素
这一部分探讨了影响肠道物种SR的因素，主要的研究发现有以下几点：
①物种频率与SR的关系：物种的频率与其平均SR之间存在高度显著的相关性。这意味着，一个物种在人群中越常见，它在个体中的菌株丰富度往往越高。但也有一些例外，Bacteroides fragilis 通过抗微生物机制将SR限制在1.0。
②基因组特征与SR的关系：从比较基因组学的角度来看，具有较大附属基因组和较小核心基因组的物种通常具有更高的遗传灵活性，可以在同一宿主中找到不与其他同种菌株重叠的生态位。研究者比较了SR > 1.2和SR < 1.1的物种之间的平均成对距离，发现SR > 1.2的物种具有显著更大的成对距离。这表明，较大的附属基因组可能使这些物种在个体微生物群中支持更多的菌株共存。
③功能基因的富集分析：研究者使用Scoary算法识别了SR > 1.2和SR < 1.1的物种之间的差异基因，并通过eggNOG进行了功能注释。功能富集分析显示，复制、重组和修复相关的基因普遍较少富集，这可能是由于这些基因在核心基因组中的比例较高。与代谢相关的多种功能显著富集（图2c），这进一步证明，增加的附属基因内容与代谢多样性相关，可能促进了高SR物种中多个菌株的生态位分化。
④宿主健康状态对SR的影响：宿主的健康状况可能影响菌株丰富度（SR）。例如，在炎症性肠病（IBD）、溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）患者中，肠道微生物群的属和物种多样性通常低于健康对照组，这表明宿主健康状况可能影响某一物种的平均菌株丰富度。
Fig2 | 影响SR的因素
a.物种频率与SR之间的Spearman秩相关性。灰色区域表示95%置信区间。
b.不同SR类别的同种菌株之间的成对k-mer距离分布。SR > 1.2的物种具有显著更大的成对距离，表明较大的附属基因组可能促进更多菌株共存。
c.在SR > 1.2和SR < 1.1的物种之间，功能类别基因的富集情况。代谢相关功能显著富集，而复制、重组和修复相关的基因则较少富集。
三、传递性和稳定性
之前的研究表明，大多数供体微生物群落的菌株在复发性艰难梭菌感染（rCDI）患者中通过FMT后能够稳定定植，这表明供体的菌株丰富度（SR）可以通过FMT传递。为此，研究者们从7名FMT供体和13名rCDI患者中分离并测序了1,008个独特的菌株，使用Strainer菌株检测算法，通过供体菌株基因组和受体宏基因组数据量化供体菌株在受体中的存在情况。主要的研究发现有以下几点：
①基于美国FMT研究中的菌株传递性：在这项基于美国的FMT研究中，每个受体使用单个供体的粪便样本，其中六名供体分别提供粪便给不同的rCDI受体，而一名供体提供了粪便给七名不同的rCDI受体，总共形成了13对1:1的供体-受体配对。量化了供体中每种物种的菌株数量以及移植后8周在受体中检测到的供体菌株数量（图3b),供体SR与受体在FMT后8周的SR之间存在显著相关性(图3c),受体在FMT后8周的平均SR显示几乎没有供体菌株的丢失，并且与最初在队列中测量的培养SR非常相似。这些结果共同表明，FMT可以传递健康的供体菌株水平群落结构。为了验证SR的传递性是否在不同队列中一致，研究者在荷兰莱顿大学医学中心的两个供体的六名额外rCDI受体中追踪了供体菌株。在这个验证队列中，也发现供体SR与受体SR之间存在显著相关性
②长期稳定性：为了评估SR的长期稳定性，研究者从美国FMT队列中选取了一部分供体（n = 3）和受体（n = 3），并在移植后5年收集了样本。结果显示，供体在时间点0和5年后之间的SR存在显著相关性（图3d），这表明健康、未移植个体的SR在长达5年内具有长期稳定性。对于受体，发现在FMT后8周和5年后之间的SR存在显著相关性（图3e），这表明FMT可以持久地恢复受体的健康菌株水平结构。然而，这些5年的SR稳定性结果基于有限的样本量，需要在更大的队列中进行验证。
Fig3 | FMT持久地将健康的供体SR传递给rCDI患者
a.FMT实验设计示意图（1:1供体-受体配对）
b.代表性热图显示供体D283向七名不同受体的SR传递
c.受体在FMT后8周的SR与供体SR之间的Spearman秩相关性
d.供体在5年后的SR与移植前（时间点0）的SR之间的Spearman相关性
e.受体在FMT后5年与8周的SR之间的Spearman相关性
四、FMT中的超生理菌株丰富度
这一部分探讨了在FMT中使用超生理学数量的菌株对受体SR的影响。通过对未扰动肠道微生物群落的研究以及FMT传递的分析，研究者发现菌株丰富度（SR）通常在每种物种1到3个菌株之间波动，并且可以通过FMT持久地传递。尽管最近的研究已经探讨了FMT中菌株的传递，但尚未有研究量化SR的具体数值。因此，仍然不清楚SR的弹性、SR的上限，以及生态和环境压力在肠道中对SR的影响。主要的研究发现有以下几点：
①有限的SR增加：即使经过密集的FMT治疗，受体的SR仍然显著低于供体批次中的理论最大值。这表明，FMT对受体最大SR的影响是有限的
②SR的物种特异性：每个物种的SR容量是有限的，受到肠道微生物生态系统的限制。对于低SR物种，治疗性菌株可能会替代或无法定植；而对于高SR物种，治疗性菌株可以更容易地定植。
③临时性的SR增加：虽然FMT可以通过维持剂量暂时增加受体的SR，但这种增加是暂时的，最终会恢复到基线水平。这表明，SR的长期稳定性受到宿主肠道生态系统的影响。
Fig4 |受体中超生理SR的操控最终收敛于未移植人群的基线水平
a.热图展示单个供体、供体批次和受体在FMT后不同时间点的SR
b.代表性物种在供体批次、受体FMT后时间点和图1a培养队列中的SR
c.受体在FMT第8周的SR与供体批次SR之间的Spearman相关性
d.SR在供体、批次、受体时间点和培养队列中的变化
e.低SR和高SR物种中添加、持续存在和替代事件的比例
讨论：
一、超生理学SR的传递与限制：
本研究通过FOCUS临床试验，探讨了多供体FMT对溃疡性结肠炎（UC）患者肠道微生物群落的影响。研究发现，尽管通过混合供体FMT传递了大量的菌株，受体的菌株丰富度（SR）仍然受到显著限制。即使经过为期8周、共40次的密集FMT治疗，受体的SR显著低于基于供体批次中检测到的菌株数量的理论最大值。这表明，FMT对受体最大SR的影响是有限的，可能受到宿主肠道生态系统和生态位竞争的限制。
二、SR的物种特异性容量：
研究表明，每个物种的SR容量是有限的，受到肠道微生物生态系统的限制。具体来说：
低SR物种：对于那些在受体中SR较低的物种，治疗性菌株要么会定植并替换受体的原有菌株，要么无法定植而受体的原有菌株继续存在（持续存在）。这表明，低SR物种的定植能力较弱，容易被其他菌株取代。
高SR物种：对于那些具有较高SR容量的物种，治疗性菌株可以更容易地定植。这表明，高SR物种的定植能力较强，能够在受体内稳定存在。
三、临时性的SR增加：
尽管FMT可以通过维持剂量暂时增加受体的SR，但这种增加是暂时的。研究通过纵向跟踪受体的SR，发现在最后一次FMT剂量后的第8周，受体的SR出现了显著且逐渐下降的趋势。到最终移植后5年，受体的SR趋近于未接受粪便移植的人群中的普遍SR水平。这一趋势在所有物种中都是一致的，无论物种的普遍性或SR如何。这表明SR的长期稳定性受到宿主肠道生态系统的影响，FMT的短期效应并不能持久改变受体的微生物群落结构。
四、生态和环境压力的影响：
研究揭示了生态和环境压力在SR中的作用。现代生活方式中的抗生素使用和卫生习惯等因素可能会人为地将当代的SR降低到低于生理或生态极限的水平。混合供体FMT提供了一个独特的机会来测试SR的生态极限，并确定是否可以稳定地增加SR。然而，结果显示，即使在超生理条件下，SR的增加也是有限的，表明宿主肠道生态系统对外来菌株的定植具有一定的选择性和限制性。
五、FMT和活生物治疗的意义：
研究发现强调了理解人类肠道解剖和生理对SR影响的重要性及其未来转化应用的意义。在FMT和定义明确的活体生物疗法产品中，成功依赖于细菌菌株的成功定植，因此在选择哪些菌株包括、每种物种应包含多少菌株以及是否需要移除居民菌株时，必须进行仔细考虑。与本研究发现一致，最近的一项荟萃分析发现，受体的物种在抑制供体菌株定植方面起着重要作用。尽管个体宿主层面有许多因素可以影响菌株的定植，但似乎某些物种内的菌株即使在多菌株池中传递时也更有可能定植。