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微生物组:从群落代谢到宿主疾病

已有 631 次阅读 2018-7-12 16:29 |个人分类:《中国科学》论文|系统分类:论文交流

微生物生活在地球的各个角落,它们通过多种方式与环境相互作用,对生态环境和宿主健康起到了不容忽视的作用。随着科学技术的迅速发展,人们拥有了更多探索微生物“暗物质”世界的方法,得以更深入研究微生物群落在维持生态系统平衡中发挥的作用,以及微生物群落与宿主和环境相互作用的机制。

      SCIENCE CHINA Life Sciences(《中国科学:生命科学》英文版)特邀同济大学附属第十人民医院秦楠研究员、中国科学院微生物研究所东秀珠研究员、上海交通大学赵立平教授,围绕“微生物组研究”组织出版专题Microbiome: from community metabolism to host diseases 


 July 2018, Vol. 61, No.7 -

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      该期专题强调了整合微生物组学和多组学方法的重要性,这些方法在深入、系统地研究宿主与微生物相互作用、环境因子与微生物相互作用、不同微生物之间相互作用时,具有重要意义及广阔应用前景。


   人体微生物组与疾病   

 人体微生物组是指存在于人体、特别是肠道内的共生微生物和病原微生物的总和。微生物组已被证实对人体的免疫、激素和代谢稳态的维持具有重要作用,同时也会影响多种疾病的发生发展,例如肥胖、II型糖尿病、免疫介导的炎症性疾病、心血管疾病和精神类疾病等。过去二十年,高通量测序技术和生物信息技术的迅猛发展推动了探索人体微生物组的进程,人体微生物组代谢活动及其对人体健康产生的相应影响也得到更加深入的研究。

       慢性功能性便秘是一种儿童、成人和老年人群常见的肠道状态。秦环龙研究组综述了近期关于便秘和肠道菌群紊乱关系的研究成果,肠道菌群产生的特定代谢物,如短链脂肪酸和5-HT,能有效维持肠道正常生理状态,避免肠道功能障碍,这为慢性便秘的微生物治疗提供了理论基础。本综述详细讨论了包括益生菌治疗(如益生菌、益生元、合生元)和粪菌移植在内的微生物治疗的安全性、便捷性和疗效。

       李宁研究组证实粪菌移植结合可溶性膳食纤维(果胶)对治疗慢传输型便秘具有长期疗效,患者接受三个月的粪菌移植治疗,并且持续一年每天进食可溶性膳食纤维,其自发性排便行为、粪便黏度和Wexner便秘评分均得到显著改善。

       非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一种自身局部脂肪贮积导致的慢性肝病,已有研究证明该病与肠道菌群紊乱关系密切。在中国,NAFLD患者数量急速增长,已占总人数的20.9%,这将成为公共健康的一大隐患。杨云生研究组揭示了NAFLD患者肠道菌群结构的基本特征,并在科、属水平比较NAFLD患者和健康人的粪便菌群组成差异。此外,还发现胰岛素抗性、腰臀比(WHR)、身体质量指数(BMI)和菌群结构变化与NAFLD的发生发展也存在密切联系。

       在破解人体疾病潜在机制、探索并评估新型治疗制剂和药物研究中,小鼠模型已被广泛使用。赵立平、张晨虹研究组对药物诱导结肠炎小鼠模型的初始肠道菌群的影响进行了深入研究,发现不同批次的小鼠初始肠道菌群存在显著差异,患有严重性结肠炎小鼠与结肠轻微损伤小鼠相比,前者肠道菌群的组成具有明显特征,如Akkermansia属含量增加,Barnesiella属含量减少。此外,不同试验中,肠道菌群对葡聚糖硫酸钠(DSS)处理的反应也不同。这些结果说明,在使用小鼠模型进行疾病机制研究时,必须考虑肠道菌群的影响。


    微生物群落中的代谢作用    

        微生物通过复杂的代谢链相互融合在一起。在群落环境而非纯培养物中研究微生物代谢,能够帮助深度了解群落中各成员的相互作用,发现新的表型,辅助设计合成新的群落,培养“不可培养物”。

       刘芳华、王欧美研究组利用种间直接电子传递(DIET)模型,在双培养基上研究了Geobacter metallireducensGeobacter sulfurreducens之间的电子传递过程。在该模型中,两种地杆菌属细菌可通过乙醇向延胡索酸传递电子,从而获得乙醇氧化。这些结果表明,比较转录组学可以作为共培养时种间直接电子传递(DIET)过程中揭示电子供体和受体不同反应的一种有力工具,同时也加深了我们对自然微生物群落中细菌相互作用的理解。

       氮污染是世界范围内日益严重的一个环境问题,其中含氮污水的排放是最主要的原因。本刊中,刘志培研究组综述了最近几年关于污水处理中微生物反硝化作用的微生物组及多组学研究成果。“多组学”研究技术包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等,这些技术的应用使人们进一步了解了污水处理系统反硝化作用中的微生物群落结构、重要功能微生物及其生理机能、功能基因(包括氮循环)、微生物及其基因对环境因子的反应。



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