今日Science胡脊梁等揭示复杂微生物群落的动态变化规律

　　10月07日的《热心肠日报》，我们解读了 10 篇文献，关注：微生物生态学，肠道黏蛋白，铜，病毒组，类器官，因果推断，生物伦理。胡脊梁等Science：预测复杂微生物群落的动态变化
　　Science——[63.714]
　　① 通过理论模型预测以及合成菌群实验证明，物种数量和种间相互作用强度这2个参数，可预测生态群落涌现的动力学行为；② 随着物种数量的增多以及种间互作强度的增加（由营养浓度升高引起），微生物群落在3个动力学相之间发生相变：所有物种稳定共存→部分物种稳定共存（多样性降低）→群落生物量和物种丰度持续震荡（失去稳定性）；③ 同样条件下，群落震荡和物种多样性间存在正反馈，震荡的群落比稳定的群落有更高的生物多样性。
　　【主编评语】
　　复杂群落的生物多样性和动力学变化，能否通过简单的群落参数来预测？这是生态学研究中的一个重要问题。Science最新发表来自麻省理工大学Jeff Gore团队、胡脊梁博士作为第一作者的研究，结合理论模型和合成微生物群落实验，对这一问题进行了回答，表明基于群落物种多样性和物种间互作强度这两个参数，足以预测复杂微生物群落的动力学变化。该研究提出的框架将理论生态学的2个主要观点整合在一起：生态网络的复杂性导致其失去稳定性，同时，生态系统随时间的震荡有助于维持其物种多样性。这些发现对于理解和研究肠道菌群和土壤菌群等微生态系统的稳定性、多样性和动力学具有重要参考价值。（@mildbreeze）
　　【原文信息】
　　Emergent phases of ecological persity and dynamics mapped in microcosms
　　2022-10-06, doi: 10.1126/science.abm7841Cell：黏蛋白如何让肠道安全吸收铜
　　Cell——[66.85]
　　① 通过结构和生化分析发现，肠道黏蛋白MUC2的D1区域中存在2个相邻的铜结合位点；② 其中，富含组氨酸的保守位点能结合Cu2+，其可被膳食抗氧化剂（如维生素C）还原为Cu1+；③ 还原后的铜（Cu1+）被MUC2中邻近的富含甲硫氨酸的位点结合；④ MUC2的铜结合作用，可阻止Cu1+被氧化产生活性氧，在细胞实验中保护肠细胞免受铜毒性，同时允许必要的铜被肠细胞安全地摄取吸收；⑤ 因此，黏蛋白可作为细胞外的铜伴侣蛋白，参与铜在肠道中的调节和利用。
　　【主编评语】
　　肠道黏液层保护肠上皮细胞免受病原体和其他有害物质的侵害，同时也允许肠细胞吸收营养物质。黏液的主要成分是黏蛋白——一种能形成凝胶的大分子分泌型糖蛋白。然而，由于缺乏黏蛋白的高分辨率结构信息，人们难以深入揭示黏液屏障功能的分子机制。Cell最新发表以色列魏茨曼科学研究所Deborah Fass团队的研究成果，结合结构、生化和细胞实验，发现黏蛋白MUC2可作为铜伴侣蛋白，结合不同价态的铜（Cu2+、Cu1+），阻止游离铜介导的活性氧生成，保护肠细胞，并使肠细胞能安全地摄取所需的铜微量元素。（@mildbreeze）
　　【原文信息】
　　Intestinal mucin is a chaperone of multivalent copper
　　2022-10-06, doi: 10.1016/j.cell.2022.09.021Cell：全球RNA病毒组的扩展揭示出新的进化分支
　　Cell——[66.85]
　　① 挖掘5150个不同的宏转录组，鉴定出超过250万个RNA病毒重叠群；② 对>33万个RNA依赖性RNA聚合酶分析，发现这种扩增相当于已知RNA病毒多样性的5倍；③ 揭示多个以前未发现的蛋白质结构域，并确定两个假定的额外噬菌体门和许多假定的额外纲、目和科；④ 由细菌和相关真核病毒组成的急剧扩张的Lenarviricota门，占RNA病毒群的三分之一；⑤ CRISPR间隔和溶菌蛋白鉴定，表明先前与真核生物相关的picobrnaviruses和partitiviruses亚群感染原核宿主。
　　【主编评语】
　　噬菌体在人类肠道微生物组的生态学中具有重要作用，但在参考数据库中的代表性不足。2021年，美国劳伦斯-伯克利国家实验室Nikos C. Kyrpides等人，对11810个人类粪便样本的宏基因组进行大规模的病毒基因组组装，构建了宏基因组肠道病毒目录（包含189680个病毒基因组草图）。近日，Nikos C. Kyrpides联合其他研究人员在Cell发表最新研究，通过挖掘5150个不同的宏转录组，鉴定出超过250万个RNA病毒重叠群，鉴定出2个新的噬菌体门和多个噬菌体纲、目，极大地的扩展了噬菌体的进化分支。总之，目前对全球RNA病毒的采样远远没有达到饱和，未来仍需进一步整合，提高我们对RNA病毒圈的认识。（@九卿臣）
　　【原文信息】
　　Expansion of the global RNA virome reveals perse clades of bacteriophages
　　2022-09-28, doi: 10.1016/j.cell.2022.08.023马延磊团队：人消化道类器官的应用与未来的挑战（综述）
　　Signal Transduction and Targeted Therapy——[38.104]
　　① 人消化道类器官有两个来源：由原代成体干细胞在特定因子的培养下获得，和将多能干细胞（包括iPSC和ESC）中通过模拟胚胎植入后的发育过程获得；② 人消化道类器官可应用于消化疾病、生物库建立、临床试验、病原体感染、药物筛选、干细胞功能和再生、免疫治疗、基因治疗和粪菌移植试验等研究，有助个性化医疗发展；③ 目前类器官仍有局限性：细胞结构单一、基质胶的成分不明和体内外微环境不一致，未来需在以上三个方面重点优化。
　　【主编评语】
　　类器官是很有前景的研究模型，可以为患者提供精准的个体化治疗、建立快速的药物筛选或基因/细胞治疗的体外模型，从而将基础研究与临床治疗联系起来。Signal Transduction and Targeted Therapy杂志发表的来自复旦大学附属肿瘤医院马延磊团队的综述，回顾了以往的研究，总结了现已建立的各种消化类器官模型，以及这些类器官如何应用于研究消化道疾病的发生、干细胞的功能和再生、宿主-病原体的互作和个性化治疗的应用，并讨论了目前的类器官的限制和未来的改进方向，值得阅读！（@MD）
　　【原文信息】
　　Applications of human organoids in the personalized treatment for digestive diseases
　　2022-09-27, doi: 10.1038/s41392-022-01194-6Lancet子刊：从微生物组数据中推断因果效应（观点）
　　Lancet Microbe——[86.208]
　　① 因果结构学习的方法学进步，提高了大型生物系统中由数据驱动的因果效应预测潜力；② 有向无环图（DAG）作为最广泛建立的因果推理语言，基于do运算的分析，可以利用其学习从观察性数据中发现因果关系；③ DAG缺失时的干预演算（IDA）可用于分析高维数据，如DAG初始未知的基因表达网络；④ 横断面微生物组数据的模拟实验强调了DAG因果发现的强假设局限性，且因果发现是否可能最终取决于实际系统结构；⑤ 标记DAG（LDAG）可以改进因果推断。
　　【主编评语】
　　如何从观察性数据中推断和发现菌群与因果效应？Lancet Microbe近期发表的观点文章，重点介绍了基于有向无环图（DAG）框架的对横断面微生物组数据进行因果发现和推断的方法，推荐专业人士参考。（@mildbreeze）
　　【原文信息】
　　Causal discovery for the microbiome
　　2022-09-21, doi: 10.1016/S2666-5247(22)00186-0Nature子刊：如何更好地开展土著社区的微生物组研究（观点）
　　Nature Microbiology——[30.964]
　　① 应采用基于社区的参与式研究等方法加强研究者与土著社区的合作；② 取样流程应提前获得相关人群许可，减少参与者身心不适；③ 成立咨询小组为研究和交流提供指导，并使用分级知情同意书以助更好地理解研究内容；④ 与参与的社区共享研究成果，且其贡献应得到广泛的认可（文章或媒体）；⑤ 确保使用准确且尊重的语言进行描述，避免使用＂原始的＂、＂非洲的＂等笼统词汇，而是使用社区名称；⑥ 应建立完善的互惠关系使研究者及参与者都能从中获益。
　　【主编评语】
　　人类与共生微生物群的相互作用与进化、文化和环境过程有关。随着微生物组研究的开展，大规模的跨地域和跨文化微生物组研究已经确定了人类微生物组和当地生态系统之间的联系。此外，土著人民的微生物群已成为基础研究的目标，因此有必要讨论和实施类似于人类遗传学研究中已经阐述的伦理做法。发表在Nature Microbiology上的一篇文章关于如何更好、更规范地对土著社区人群开展微生物组研究给出了建议，有助于推进跨文化的生物学研究。（@EADGBE）
　　【原文信息】
　　Ethical microbiome research with Indigenous communities
　　2022-05-16, doi: 10.1038/s41564-022-01116-wNature子刊：将流离失所者纳入组学和数字医疗计划（评述）
　　Nature Medicine——[87.241]
　　① 基因组、蛋白组等技术的进步在分子水平提高了人们对疾病的认知，并促进了针对性治疗和预防措施的发展；② 数字化工具可改善大众健康，建议为流离失所者量身定做此类新兴工具并观察评估其效果；③ 利用数字医疗工具研究流离失所者面临着伦理、社会政治环境等方面的挑战以及网络、物联网设施缺乏等障碍；④ 数字资料有商业买卖的风险，应当告知研究群体并将风险降到最低；⑤ 可通过社区医疗保健服务提高新技术临床研究的可行性。
　　【主编评语】
　　Nature Medicine发表的评述，认为被迫流离失所者比如难民的身体和精神健康状况都令人担忧，因此将该群体纳入以新兴技术为依托的医疗保健计划和研究，或带来益处。其中以组学和数字技术的推广为主。编者个人认为谈到数字医疗，即便在发达国家也并没有普及，对个人隐私和数字资料丢失、买卖担忧的普通民众也不少。这样的情况下，难民纳入研究是否有点＂被安排＂？而对被迫流离失所者来说，基础医疗严重缺乏的情况下，数字医疗和组学研究是否能实质性地改善他们的健康状况？（@好雨）
　　【原文信息】
　　An ethical plan for including forcibly displaced persons in omics and digital technology research
　　2022-05-05, doi: 10.1038/s41591-022-01801-7Nature Reviews：未来如何实现微生物组研究的公平性？
　　Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology——[73.082]
　　① 建立高质量跨领域数据集，可组建跨专业、多地域的研究团队或利用现有科研项目开发数据集；② 当地人员更了解该地社会、政治及历史背景，在研究计划中聘用当地人员既可提高研究的相关性，促进合作关系公平性，也可建立信任并促进其持续参与研究；③ 应当扩展真核生物的研究、拓宽肠道生态位以外的研究（皮肤、呼吸道和阴道等）以助力了解栖息地及微生物间的相互作用；④ 应当开发新的专业化分子和分析方法以加强微生物研究的创新型。
　　【主编评语】
　　关于基因组学和微生物组的领域在过去十年中得到了广泛的研究，但涉及世界人口及其变异并没有在现有的研究或数据集中得到很好的体现，目前研究者已意识到研究范围有限是较大的问题。Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology发表的一篇News & Views就该问题提出了建议，并表明建立可共享的和稳定的数据集，与跨地域和文化的研究人员开展深度的合作，抓住创新机会，以推动超越肠道和细菌的微生物组研究，值得一读！（@MD）
　　【原文信息】
　　Equitable partnerships and the path to inclusive, innovative and impactful human microbiome research
　　2022-09-28, doi: 10.1038/s41575-022-00689-5微生物组与社会公平：20个重要研究问题
　　mSystems——[7.324]
　　① 微生物和社会公平工作组于2020年底举办国际研讨会，来自全球18个机构的22名专家通过基于讨论和投票的方法，提出了关于微生物暴露和社会公平的20个重要研究问题；② 这些问题涵盖7个主题：社会文化互作，原住民社区健康，人类、城市生态系统和环境进程，人类心理和精神健康，微生物组和传染病，人类健康和食品安全，以及与微生物组相关的规划、政策和推广；③ 这些问题与联合国的可持续发展目标一致，有益于人类社会公平和生态和谐。
　　【主编评语】
　　微生物组与人类社会和健康息息相关。政策、人类活动和环境变化都可对微生物群落及其与人的互作产生影响，这些因素决定了不同的社会群体如何暴露于有益和/或有害的微生物。因此，微生物暴露与社会公平间有密切关系，需要在研究、规划和政策中予以考虑。mSystems发表的来自微生物和社会公平（MSE）工作组的小综述，通过专家讨论的方式，对涉及该领域7个主题的20个重要研究问题进行了探讨和总结，为研究者、资助者和政策制定者提供方向和建议。（@mildbreeze）
　　【原文信息】
　　Twenty Important Research Questions in Microbial Exposure and Social Equity
　　2022-01-04, doi: 10.1128/msystems.01240-21微生物和社会公平工作组
　　mSystems——[7.324]
　　① 人类依赖于生活在我们体内或环境中的微生物，但并非每个人都具有平等接触有益微生物的机会；② 微生物和社会公平工作小组（MSE）旨在将微生物学与社会公平研究、教育、政策和实践联系起来，以了解微生物、个体、社会和生态系统之间的相互作用；③ MSE呼吁通过扩大教育和培训，使研究主题、方法和视角多样化，以及倡导循证的公共政策，将微生物学与社会公平工作结合起来，来使所有人可以享有可持续、公平的微生物财富。
　　【主编评语】
　　微生物与社会公平（MSE）工作组认为，生态系统、城市和农村环境以及个人之间的微生物暴露是社会政治性的，因此需要从微生物与社会公平的角度进行研究、教育、政策制定和实践。mSystems发表文章，对MSE工作组的使命和愿景进行了介绍。（@mildbreeze）
　　【原文信息】
　　Introducing the Microbes and Social Equity Working Group: Considering the Microbial Components of Social, Environmental, and Health Justice
　　2021-07-27, doi: 10.1128/mSystems.00471-21
　　感谢本期日报的创作者：mildbreeze，白蓝木，MD，Alex，XLyasby，刘畅，陈春萌
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