編譯：微科盟如風，編輯：微科盟木木夕、江舜堯。
微科盟原創微文，歡迎轉發轉載。
導讀早產兒腸道微生物的發育是可以預測的，出生后先鋒微生物首先在腸道內定植，隨后微生物連續有序定植。腸道微生物對早產兒的健康至關重要，但塑造這些可預測的微生物群裝配動態的驅動力尚不清楚。環境、宿主和微生物之間的相互作用都可能塑造微生物群的動態特征，但在這樣一個復雜的生態系統中，想要確定任何單個因素的具體作用都是具有挑戰性的。在本項研究中，我們使用多界絕對豐度量化、生態模型和實驗驗證來應對這一挑戰。我們對178名早產兒的細菌、真菌和古細菌的絕對動態進行了量化。我們發現了微生物的繁殖和消亡，并表明嬰兒腸道中細菌和真菌的數量呈負相關。我們在體外和體內通過計算和實驗證明，可預測的裝配動力學可能是由特定微生物之間直接及環境依賴的相互作用驅動的。微生物群中較晚定植的克雷伯氏菌（Klebsiella）反映了宏觀生態系統的動態，利用先驅微生物葡萄球菌（Staphylococcus）在腸道中立足。值得注意的是，我們發現不同界之間的相互作用會影響微生物群裝配，而一個單一的真菌物種-白色念珠菌Candida albicans會抑制多個優勢菌屬的腸道細菌。我們的工作揭示了簡單微生物-微生物相互作用在形成宿主相關微生物群的中心地位，這對于我們理解微生物群生態學和有針對性地進行微生物群干預都是至關重要的。本研究表明了特定微生物及環境依賴的相互作用可能是微生物群裝配的驅動因素。該研究為微生物生態學及進行微生物針對性干預以促進腸道發育具有重要的啟發意義。原名：Multi-kingdom ecological drivers of microbiota assembly in preterm infants
譯名：早產兒微生物群裝配的多界生態驅動因素
期刊：Nature
IF：42.778
發表時間：2021.2.24
通訊作者：Katharine Z. Coyte, Seth Rakoff-Nahoum
通訊作者單位：美國波士頓兒童醫院、曼徹斯特大學生物科學學院，美國哈佛醫學院、麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所
為了確定微生物群落內變化的驅動力，有必要量化群落成員隨時間的絕對變化。為了實現這一目標，我們開發了一種基于細胞的多界添加方法（MK-SpikeSeq），該方法可同時量化任何給定微生物組中細菌、真菌和古生菌的絕對豐度（圖1b）。Spike-in細胞用作樣本處理的內部對照，并且已知Spike-in細胞的豐度后，我們便可以反歸一化并計算所有群落成員的絕對豐度（圖1b）。我們使用一系列的模擬群落驗證了MK-SpikeSeq方法測量絕對豐度的能力，然后使用一組測試樣本將MK-SpikeSeq的性能與現有絕對豐度定量方法（總DNA、基于細胞計數的成像、定量PCR（qPCR）和基于DNA的添加（spike-in）進行比較。總的來說，這些數據表明MK-SpikeSeq可以對多個界的單個分類單元的絕對豐度進行高靈敏度且可靠的測量，這是確定微生物群落動力學驅動因素的關鍵條件。圖1 MK-SpikeSeq能夠對絕對豐度進行可靠的量化。a，圖解說明相對豐度數據如何影響潛在的群落動態，使其難以區分不同的生態情景。b，MK-SpikeSeq方法概述。通過驗證MK-SpikeSeq，我們建立了一個高分辨率的嬰兒微生物群動態的多界水平圖片。除此之外，我們還召集了一個包含178名來自三級新生兒重癥監護病房(NICU)的早產兒的前瞻性隊列。早產兒微生物群的裝配與足月嬰兒有很大的不同。由于早產兒具有更現實的臨床意義，并且適合使用已有的臨床元數據進行高頻縱向采樣，所以我們將研究重點放在早產兒身上。這些特征使得早產兒腸道成為一個重要且易于處理的系統，便于建立對微生物群裝配原則的理解。在這一前瞻性隊列中，我們在每個嬰兒的第1、14、28和42天進行采樣，對于其中的13個嬰兒，我們收集了他們出生后6周內幾乎每天的糞便(總共940個樣本)?？偠灾?，這項隊列使我們能夠建立起早產兒腸道內微生物群發育的高分辨率圖像。與先前研究一致，我們觀察到早產兒腸道細菌群落主要分為四種不同的群落狀態，其特征是四種菌屬中的一種占主導地位：葡萄球菌Staphylococcus、克雷伯氏菌Klebsiella、大腸桿菌Escherichia或腸球菌Enterococcus（圖2a）。值得注意的是，我們的早產兒隊列中的細菌群落，如前所述，隨著時間推移，在以一種可預測的高動態的方式進行發展。大多數嬰兒一開始以葡萄球菌Staphylococcus為主，隨著年齡的增長，逐漸過渡到以克雷伯氏菌Klebsiella、腸球菌Klebsiella或大腸桿菌Escherichia為主（圖2a，b）。比較這些優勢屬的絕對豐度和相對豐度說明了成分數據是如何錯誤地定義群落變化，以及何時發生變化的。這樣的比較還表明，盡管我們隊列中的細菌群落通常只有一個屬占主導地位，但其他主要屬通常在早產兒腸道內也保持著較高水平的穩定性。圖2 早產兒的腸道表現出豐富的細菌和真菌群落動態。a，細菌樣本在屬水平上Bray-Curtis差異的主坐標分析(PCoA)圖。b，與a相同的PCoA樣本，說明細菌群落組成是如何隨時間變化的。c，單個代表性嬰兒的微生物群動態，強調在研究微生物群生態學時收集絕對豐度的重要性。d, e，由優勢菌屬（d）或嬰兒年齡（e）分組進行著色的真菌群落組成的PCoA圖。f，通過線性混合效應模型量化臨床和微生物因素對總細菌負荷的影響。g，細菌、真菌和古細菌的總豐度隨時間的變化。h，在生命的每一周中能夠檢測到古細菌的樣本比例。與細菌群落可預測動態性相反，我們發現了早產兒腸道內多種但不可預測的真菌群落。與細菌群落一樣，MK-SpikeSeq可以發現被相對豐度所掩蓋的真菌的大量繁殖和消亡。然而，盡管真菌的動力學本身是不可預測的，但一項考慮嬰兒年齡、抗菌藥物和抗真菌藥物因素的線性混合效應模型顯示細菌和真菌負荷之間存在微弱的負相關（歸一化效應大小，?0.060；95% Wald 置信區間, [?0.119, ?0.001]）（圖2f）。即在考慮臨床協變量時，真菌含量越高，細菌含量越低。這種反向關系使我們想研究是否跨界交互作用會影響早產兒微生物群的動態。在生成了嬰兒微生物群裝配的高分辨率多界圖像后，我們接下來試圖確定觀察到的可預測動態的因素。為實現這一目標，我們使用貝葉斯正則化回歸將我們的縱向數據擬合到擴展的廣義Lotka-Volterra(gLV)模型，這種方法只有在絕對豐度下才可能實現。該模型假設單個分類單元的生長率取決于該分類單元的內在生長率、與親緣關系的相互作用、臨床應用抗菌劑的效果以及焦點分類單元與其他群落成員之間的相互作用（圖3a）。這就產生了一個高度參數化的群落動態模型，我們使用保守的正則化框架將其與我們的數據進行了擬合。通過這樣做，我們能夠識別那些微生物-微生物或抗生素-微生物的相互作用，在塑造群落動態過程中有強大且一致的作用，同時避免過擬合，及過濾掉不影響群落動態的弱交互作用。圖3 成對的界內和界間相互作用驅動嬰兒腸道微生物組裝配的可預測模式。a，圖解說明gLV模型用于識別嬰兒腸道內細菌和真菌動態的致病驅動因素。b，gLV模型確定了一個發生在早產兒腸道微生物群的優勢成員之間的微生物-微生物相互作用網絡，預計會影響微生物群動力學。c，通過單培養和成對共培養，測試預測的界內相互作用。d, CFU用于在特定無病原體（SPF）小鼠模型中定量測定體內微生物的適宜性。e，單培養和成對共培養的嬰兒分離株的體外生長。f，SPF小鼠模型體內微生物適宜性的CFU計數。我們的生態推斷預測，特定微生物屬之間的界內和界間強烈的相互作用在嬰兒腸道微生物群的裝配中起著關鍵作用（圖3b）。因此，我們的模型提示，在早產兒中觀察到的特征性轉變，從以葡萄球菌Staphylococcus為主轉向以克雷伯氏菌Klebsiella為主（圖2a，b），部分是由克雷伯氏菌Klebsiella利用早期定植形成的。我們還推斷，克雷伯氏菌Klebsiella本身受到另一個優勢屬腸球菌Enterococcus的抑制，這表明這兩個屬的獨特優勢狀態可能部分是由一個排斥，而另一個驅動的。值得注意的是，我們發現，塑造早產兒微生物群裝配的很大一部分相互作用是剝削性的（+/?），這些不對稱相互作用占推斷的微生物-微生物相互作用的20%以上。這些定向的、不對稱的交互作用在塑造微生物群的裝配中強調了我們絕對豐度方法的力量。換句話說，相對豐度和相關分析不僅錯誤地反映了嬰兒微生物組組合的動態（圖2），而且錯誤地分類了構成這些動態的生態過程。我們的生態推斷表明，微生物-微生物相互作用是嬰兒腸道微生物可預測裝配的核心。然而，盡管我們使用了保守的正則化框架來確保對偽相關的穩健性測定，我們的預測仍然容易受到模型中未納入的未觀察到的混雜因素的影響，例如飲食、病毒或宿主因素。因此，我們試圖確定我們是否可以在還原論實驗系統中重現我們推斷的相互作用。與我們預測的在微生物組裝配過程中葡萄球菌Staphylococcus有益于克雷伯菌Klebsiella的結論相反，我們在體外沒有觀察到葡萄球菌Staphylococcus對克雷伯菌Klebsiella的積極作用（圖3c）?？紤]到克雷伯氏菌Klebsiella-葡萄球菌Staphylococcus的強度預測，我們假設這種相互作用可能是環境依賴性的。我們通過小鼠模型進行實驗驗證，所得數據強調了研究微生物群相互作用時背景的重要性，說明生物分類單元在體外和宿主內的相互作用可能不同。在驗證了我們推斷的界內交互作用之后，我們試圖驗證預測的影響早產兒腸道裝配的界間交互作用（圖3e）。我們再次使用來自嬰兒的分離株，預測的界間相互作用也可以在我們的體外系統中重現（圖3e）?？偟膩碚f，我們的數據揭示了一種特定物種的跨界交互作用，這一作用可能塑造了早產兒的微生物群。嬰兒腸道微生物組的裝配是明顯有序的，先鋒微生物首先定植，隨之而來的是其他可預測的微生物。然而，驅動這些可預測轉變的力量至今仍是未知的。優先效應、飲食、抗生素和正在發育的免疫系統都被認為會影響微生物群的動態，但考慮到有多種相互作用在起作用，要說明任何單個過程的作用已被證明是十分困難的。在本研究中，我們展示了多界絕對豐度定量、生態模型和實驗驗證的組合可以用來克服這一挑戰。我們已經證明，早產兒腸道微生物群的可預測裝配模式可以由微生物之間直接的、環境相關的相互作用所驅動。我們的發現表明嬰兒微生物群與宏觀生態演替之間存在一種共同機制。就像在宏觀生態系統中，微生物可以利用彼此在嬰兒腸道內建立，界間的直接相互作用可能在群落動態中起到核心作用。腸道微生物群裝配的可還原性為簡單的、成對的相互作用，對于理解和最終影響健康和疾病中的微生物生態系統具有深遠的意義。微生物生態系統的復雜性以及量化微生物群落組成的基本限制，阻礙了我們識別微生物群發展驅動因素的能力。首先，盡管新一代測序技術（NGS）提供了人類腸道內細菌多樣性的全面圖譜，我們對其他微生物——如真菌和古生菌——仍然知之甚少，它們定植在嬰兒微生物群中，這限制了我們識別驅動生態系統動態的界間相互作用的能力。其次，NGS數據通常只顯示分類單元的相對豐度，提供群落內不同微生物的比例，但不提供絕對數量。如果一個物種的相對豐度隨著時間的推移而增加，我們無法確定該物種是在繁殖還是在消亡（圖1a）。因此，相對豐度數據的組成性質可以掩蓋群落動態，這削弱了我們識別塑造微生物區系變化的生物和非生物力量的能力。在這一研究中，我們使用了一種可擴展的多界定量方法來繪制一個縱向隊列的早產兒絕對微生物群的動態。將生態模型與體外和體內驗證相結合，揭示了微生物界內和界間的相互作用塑造了早期生命微生物組裝配的可預測性。----------微科盟更多推薦----------
本站僅提供存儲服務，所有內容均由用戶發布，如發現有害或侵權內容，請
點擊舉報。
