综述 | Annu. Rev. Microbiol.：口腔微生物组的生物地理学分布
编译：Jione、song，编辑：小菌菌、江舜尧。
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微生物群落是复杂而动态的，由跨多个空间尺度相互作用的数百个分类单元组成。测序和成像技术的进步导致在理解这些复杂群落的组成和空间组织方面取得了长足的进步。在人类的口腔中，测序结果表明，不同的位点拥有微生物群落，它们不仅是可区分的，而且是由完全不同的微生物组成的。影像显示这些群落的空间组织也较为独特。总之，文献支持大多数口腔微生物是位点特异性的。清楚地了解口腔中不同部位的微生物区系结构，可以进行机理研究，为假设提供依据，并增强口腔微生物学作为微生物生态学总体模型系统的地位。
论文ID
原名：Biogeography of the Oral Microbiome: The Site-Specialist Hypothesis
译名：口腔微生物组的生物地理学分布-位点特异性假说
期刊：Annual Review of Microbiology
IF：10.242
时间：2019.6.10
通讯作者：Gary G. Borisy
通讯作者单位：哈佛大学牙科医学院
主要内容
1 早期的研究是针对口腔特定地点的微生物群落
对单个菌株的培养和测试是评估口腔微生物群组成的方法。因此，研究人员寻求了评估微生物群落复杂性的新的，更快的方法。棋盘格DNA-DNA杂交是一种高通量的方法，可用于对口腔微生物群落进行普查。该方法涉及从一组约40个关键口服参考菌株中分离DNA，并将该DNA排列在尼龙膜上。然后从口腔样品中提取DNA并与膜杂交，从而可以定量每种口腔样品中每种参考菌株的丰度。在软组织表面，如舌腹侧，口底，脸颊和牙龈，软链球菌，链球菌，口头链球菌和早产双歧杆菌最丰富。因此，在高通量DNA测序时代开始之前，就已经有了针对特定地点的口腔微生物群落的轮廓。
2 标记基因测序提供了系统水平的概述
从天然样品中进行16S核糖体RNA基因测序可以更全面，系统地查看微生物群落组成。借助16S rRNA基因可变区和保守区，可以鉴定出16S rRNA序列，该序列可用作微生物物种的识别标签或标记。基于数十年来的广泛研究中可以明显看出，口腔微生物群落很复杂，在任何给定的样本中都可以检测出数百种人类受试者，而整个人类种群中则有近千种。16S rRNA基因测序的好处是，测序产生的数据量与数据所代表的菌落复杂性之间具有良好的匹配性，它的优点是可以检测以前未知，未预料或未培养的细菌。在口腔中进行的早期测序研究，使用近乎完整的16S rRNA基因序列，以实现最大的分类学分辨率，并揭示了复杂的群落，这些群落具有个体共性和口腔部位差异。
3 下一代测序产生大量数据
为了以更低的成本获得更大的测序深度，工作转向了短读，其技术可一次生成数十万至数百万个测序读数，每个单独的读数长度仅为几百个核苷酸。作为舌背和唾液微生物群以及棒状杆菌科的生物标记。研究证明了人类微生物组样本中一致的分布模式，其中适度的属在任何给定样本中占主导地位，但数百个低丰度分类单元在等级丰度曲线上形成了一条长尾巴。总的来说，这些结果与先前的发现大体一致，即牙菌斑的微生物组成不同于其他口腔部位，唾液的微生物组成类似于舌头上的生物膜。
4 高分辨率生物信息学从相同的数据中提取更多信息
随着人们认识到可以以单核苷酸分辨率获取高通量数据，然后该数据可以提供详细的物种信息。随后，不同口腔部位的独特群落成为人们关注的焦点，并开发了几种高分辨率生物信息学程序。一种称为寡聚型分析的方法是使用Shannon熵的计算方法来识别具有高信息含量的核苷酸位置，然后仅将这些核苷酸位置连接起来以定义寡聚型。数据中的每个独特寡聚体均由序列的集合表示，这些序列在高信息位置相同但在其他位置可能不同，这可能是由于噪声造成的。另一种方法是除数扩增子去噪算法，使用不同的策略获得了相似的结果，对噪声的整体模式进行了建模，以对由噪声引起的序列变体进行分组。通过这两种方法，可以与所述可培养菌株的已知16S rRNA序列进行比较。
5 口腔微生物组的特异性分布
如图1所示，其中微生物的位置指示了每个位置中菌落相对丰度。例如，该图说明放线菌属具有强烈地专门用于舌头或牙齿的物种：牙菌斑中的内伊曲霉和舌头上的嗜血曲霉以及齿形假单胞菌。在链球菌属中，唾液链球菌和副血链球菌主要存在于舌头，而血链球菌和戈登氏链球菌则会造成牙菌斑。尽管在角化的牙龈中它们达到异常高的平均相对丰度，大约为50％，但在所有生境中沙门氏菌及其近亲都很丰富。
6 全基因组序列区分密切相关的生物
随着使用16S核糖体RNA标记基因对微生物群进行全面描述概述的发展，解释16S rRNA标记的含义变得更加紧迫。具有不同生物学功能的细菌菌株可以具有几乎相同的16S rRNA基因序列。为了确定哪些培养的参考基因组与人类微生物组中的流行菌株最密切相关，将来自全基因组shot弹枪序列数据的个体读数与1751个测序参考基因组进行了比较。分析主要集中在粪便微生物组上，但包括龈上菌斑，舌背和颊黏膜群落的数据，鉴定出的丰富菌株与寡聚分析基本一致。这些发现表明，许多看似分布广泛的生物群，是具有密切生物学联系的物种或菌株的集合体，而这些生物群没有被生物分类学家分开。总而言之，几十年来使用各种方法不断提高生物分类学分辨力的研究得出了一个主要结论：大多数口腔微生物对口腔中的单个生境表现出强烈的偏好。
7 口腔微生物组的假说
作为不同口腔部位的微生物组之间差异的一种方式，提出一个假说：口腔中的大多数微生物是部位特异性，主要存在于口中只有一种主要的生境类型。该假设预测，微生物将主动定位于其首选位点并在那里繁殖和分裂，而在其首选位点之外，将以低得多的丰度对其进行检测，并显示出代谢，基因表达和空间组织发生显着变化。在一个站点上区定殖菌落和游动细菌并不容易，因为每个分类单元的丰度在任何给定的嘴巴中都会随时间波动，并且嘴中的不同菌落通过唾液在某种程度上混合在一起。因此，没有可以确定菌落身份的丰富度或患病率的绝对界限。
尽管大多数口腔微生物可能专门偏爱单个位置，但仍可能在其他位置检测到它们，部分原因是由于口腔环境中的相互混合，部分原因是采样程序的局限性。所有口腔部位都会使微生物散发到唾液中，而唾液又覆盖了所有口腔部位。唾液运输的微生物可能会滞留在远离原产地的生物膜的裂缝或缝隙中，或者由于结合的随机性而可能粘附在其主要栖息地以外的地点。在采样本身的过程中，唾液表层的微生物很可能会与下面的生物膜一起采样。
8 引诱剂的趋化性
与先前一致，通常会观察到一组定义明确且一致的细菌物种，它们构成了口腔微生物组的大部分，并且这组细菌在口腔内的位置因部位而异。低丰度可在口腔中找到数百个分类单元，其中一些可以零星分布，而另一些则始终存在，但丰度较低。零星的在健康和疾病状态下均会发生，并且可能在疾病的进展中具有重要意义。区分持续低丰度的生物是菌落还是短暂的生物是一个具有挑战性的问题。
9 分类单元框架的明显特异性
将舌头或角化牙龈的部位特殊的几种分类单元作为牙菌斑微生物群的成员，或作为两个舌背中发现的口腔核心微生物组的一部分和牙菌斑；相反，有时牙菌斑专家被报告为核心舌菌群的一部分。反映活性生长的基因表达将减少，应激反应途径可能会增加。如果以微米级分辨率成像，则在其首选位点之外的微生物将被作为唾液涂层存在于本地生物膜的外部，或者以孤立的细胞或团块的形式存在，而不是以菌落结构整合成员的形式存在。
10 口腔微生物组中人与人之间的差异
大量研究表明，个体携带统计上独特的口腔微生物群。但是，以物种级别分辨率的研究也表明，最丰富的物种在个体之间广泛共享，并且个体通过这些物种内的菌株集以及主要分类单元的比例进行区分。因此，个体口腔微生物组的独特性似乎源于个体之间的菌株水平差异和菌株概况的长期稳定性。口腔微生物组的个性化是一个重要发现，它引起了有关位点定植和进化过程的问题，但与个体中每个口腔位点上存在一组明确定义的物种并不一致。
11 微尺度生物地理学
成熟的生物膜的研究使用电子显微镜，免疫组织化学和FISH研究了牙周袋中微生物的空间排列。可以将载体放置在牙周袋中不同的时间，以允许对牙周袋中不同深度的生物膜生长的各个阶段进行成像。这些研究发现了基于空间位置的定植差异，其中螺旋体定植在牙周袋深处的载体上，链球菌定植在浅位的载体上。生物膜具有镶嵌结构，最初的定殖者在载体表面，后来的定殖者呈片状分布。在对完整的牙周袋中的微生物定位进行一系列研究后，还发现了分布在袋中不同区域的完整牙周袋中的微生物。在未附着的牙菌斑中，粘性放线菌和艾肯氏菌在附着在牙齿上的牙菌斑中腐蚀，还可以观察到牙周病原体牙龈卟啉单胞菌通过菌毛直接附着在生物膜。
通过开发CLASI-FISH（组合标记和光谱成像-FISH），可以对复杂生物膜的空间组织进行全面分析，从而可以同时对数十种微生物分类单元进行成像和分析。通过同时成像龈上菌斑生物膜的所有主要成分，可以可视化一个称为刺猬的复杂微生物联盟的空间组织（图2a）。这种结构的组织，在外部具有已知的耐气菌群，在内部具有厌氧菌和微需氧菌，这表明氧气和养分的梯度存在于数十微米的范围内。此外，这些图像显示，以前通过电子显微镜鉴定的玉米芯结构比以前认为的更为复杂，由至少四个分类单元组成，其中两个（链球菌属和卟啉单胞菌属）直接与中央细丝结合，第三个其中（嗜血杆菌属/聚集杆菌属）结合到链球菌细胞上。
CLASI-FISH在口腔其他部位的应用显示出有望阐明微米级结构和微生物-微生物相互作用在建立微生物生物地理学中的作用。影像显示舌背上有一个群落（图2b），其结构与刺猬的结构完全不同，但组织程度相似。微生物在口腔中的差异分布可能是由微生物与微生物相互作用的共同进化以及微生物彼此之间以及宿主特征的同时适应引起的。
图2 成像显示人类口腔微生物群落密集且高度组织
12 跨空间尺度整合生物地理学
牙菌斑和舌头中可见的高度组织化的结构，由具有不同生境要求的微生物组成，这表明对于口腔微生物的生物地理学，某些临界梯度发生在微米尺度上。生物膜中高浓度的微生物足够迅速地吸收和分泌养分，以产生强大的微米级梯度。
生物膜本身的厚度可能是一个重要的决定因素，其范围从几微米到一毫米或更大。然而，生物膜的厚度不仅取决于微生物的生长习性和繁殖，还取决于部位受到磨损的程度以及下层表面的脱落速率。最后，可能影响梯度的大小和范围的另一个因素是唾液流量。当唾液流过生物膜时，流速的差异会影响小分子往返生物膜的传输速率，可能会调节微生物的代谢并改变微生物群的组成。
13 口腔微生物生态学的观点
底物在微生物群形成中的重要性表明，最初的定植菌对底物的粘附以及后来的菌落对初始菌落的粘附对于理解独特的菌群如何在不同的口腔部位进行组装和相互作用至关重要。已经对各种口腔物种和菌株进行了广泛的粘附和共聚研究。现在，已经知道这些是健康口腔微生物组的主要成分，但其中许多还没有得到研究。这些微生物如何定位到其首选环境？它们可能粘附在宿主或其他微生物的什么表面结构上？仅凭这种粘附力就可以解释口腔中不同数量的生物分布？
新的方法可能会为新的定殖和生化环境的微米级分析研究开辟新的领域。随着设备的发展，牙釉质在不同的微环境中的定殖和生长阶段的研究得到了极大的发展，该设备可以将牙釉质芯片或其他硬质基质在口腔中佩戴一段时间，然后进行检索和分析。要了解黏膜表面的定殖，就需要开发一个等效的系统或体外策略，也许要用类器官来表征上覆细胞脱皮后新黏膜表面的定殖阶段，还需要提高空间分辨率的水平，以微米级分辨率分析微生物分布可以揭示生物体赖以生存的微环境。通过以微米级精度确定底物，代谢物或氧气的水平，可以使用生物传感器，微电极和污渍更精确地定义这些菌落。
结论
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