观点 | Nat. Microbiol：关键类群对微生物组的恢复是必不可少的（生态思维与医学的融合） / 四六文摘

编译：小菌菌，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

尽管会受到日常波动和偶尔的干扰，人类肠道微生物组的组成对于个体而言是独特的，并且在几个月和几年中是相对稳定的。但是，各个肠道微生物群从干扰中反弹的能力可能会有所不同。虽然已证明从抗生素中恢复肠道生态系统受宿主饮食，行为或益生菌治疗的影响，但我们对肠道继承和恢复的机械理解仍然有限。

Chng等人在Nature Ecology & Evolution中报告了五个独立队列中人类肠道微生物组对抗生素治疗反应的荟萃分析。在每个队列中，作者根据抗生素治疗后肠道生态是否迅速反弹将其归类为“恢复者”或“非恢复者”。 21个细菌物种始终与恢复者相关。这些恢复相关细菌（RAB）中的许多都可以专门降解复杂的植物或动物多糖，表面上使它们成为“keystone species”，从而能够在使用抗生素后迅速恢复生物量和生态多样性。为了验证这个假设，Chng等进行了一项小鼠实验，揭示了抗生素治疗后RAB如何介导生态恢复。

论文ID

原名：Keystone taxa indispensable for microbiome recovery

译名：关键类群对微生物组的恢复是必不可少的

期刊：Nature Microbiology

IF：15.540

发表时间：2020.8

通讯作者：Sean M. Gibbons

通讯作者单位：华盛顿大学

主要内容

尽管会受到日常波动和偶尔的干扰，人类肠道微生物组的组成对于个体而言是独特的，并且在几个月和几年中是相对稳定的。但是，各个肠道微生物群从干扰中反弹的能力可能会有所不同。虽然已证明从抗生素中恢复肠道生态系统受宿主饮食，行为或益生菌治疗的影响，但我们对肠道继承和恢复的机械理解仍然有限。 Chng等人在Nature Ecology & Evolution中报告了五个独立队列中人类肠道微生物组对抗生素治疗反应的荟萃分析。在每个队列中，作者根据抗生素治疗后肠道生态是否迅速反弹将其归类为“恢复者”或“非恢复者”。 21个细菌物种始终与恢复者相关。这些恢复相关细菌（RAB）中的许多都可以专门降解复杂的植物或动物多糖，表面上使它们成为“keystone species”，从而能够在使用抗生素后迅速恢复生物量和生态多样性。为了验证这个假设，Chng等进行了一项小鼠实验，揭示了抗生素治疗后RAB如何介导生态恢复。

许多研究已经检查了人类肠道微生物组对抗生素治疗的反应。现在，Chng等已经对健康人类的几个独立队列进行了荟萃分析，以鉴定经过抗生素治疗的微生物组“恢复”的特征。肠道微生物组生态学的研究间差异受到技术批次效应，生活方式，饮食，地理位置和寄主健康状况的差异的影响。因此，微生物组荟萃分析对于鉴定可重复的，治疗特异性的关联尤其重要。作者通过针对每个队列分别运行其RAB分析，然后比较各个队列的重要结果，避免了特定于队列的偏倚的分析复杂性。在4个队列中的至少2个队列，确定了21个与恢复呈正相关的物种，其中Bacteroides uniformis显示了与所有队列中的恢复呈正相关。最后，作者发现在第五个独立验证队列中，有21个RAB中有12个物种与恢复显著相关。有趣的是，没有任何物种与恢复呈负相关。恢复似乎取决于一贯的“good bugs”，似乎没有“bad bugs”阻碍恢复。

RAB的哪些功能可在抗生素干扰后恢复生态系统？为了回答这个问题，Chng等使用基因富集分析来确定与恢复相关的功能。恢复因子的基因组和RAB基因组富含与复杂膳食多糖和粘蛋白降解相关的CAZymes，这表明恢复微生物群在从其环境中提取碳和能量方面更有效，而这反过来又可能推动更迅速的微生物群落恢复。除了基因富集，作者还发现，平均而言，宏基因组推断的复制率在回收样本中要比非回收样本高得多，这表明回收菌群具有更高的生长能力。

为了更详细地研究恢复者和非恢复者群落，作者还进行了条件共现分析，以确定例如物种A是否仅在看到物种B时才发生，以及物种B的发生是否独立于物种A。他们使用这种方法根据其在同现网络中的位置将社区分为主要，次要和第三类分类。作者建议，具有许多外向“边缘”的物种（被定义为主要物种）对于其他类群的存在是必不可少的，并且对生态系统的恢复至关重要，而具有许多外向“边缘”的物种（被定义为第三物种）则可能依赖于许多其他物种，可能对生态系统恢复具有诊断作用。 RAB完全是主要或第三种。次要物种，其中许多与短链脂肪酸的生产有关，似乎对恢复至关重要。总而言之，这些结果表明了一个生态故事，可以解释人类肠道菌群如何从抗生素中恢复。

受到干扰后，已建立的生态系统通常会通过称为“次生演替”的过程恢复并恢复到原始状态。次生演替的一个典型例子是火灾后高盖林的逐渐恢复（图1）。火灾后，最初的一组“先驱物种”（例如快速生长的草和草）定居在烧毁的景观上，随后出现了一系列“中间物种”（灌木和小乔木），最终达到了“高潮物种”（高树冠）。在肠道中，类似的继任者尽管结果在Chng等人中提出。对于RAB在抗生素治疗后如何支持快速的生态系统恢复提供了一致的假设（图1），它们报告的关联并不一定暗示因果关系。为了实验研究RAB在恢复中的作用，作者进行了小鼠实验。用一轮抗生素治疗无病原体的小鼠，然后随时间取样其肠道微生物群，以追踪其恢复情况。抗生素治疗后，对对照小鼠施以无菌缓冲液，而治疗组则施以一级RAB（拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron; Bt）），第三级RAB（青春双歧杆菌； Ba）或Bt和Ba。该实验表明，Bt而非Ba是快速恢复社区生物量所必需的。此外，Bt和Ba的共同给药导致到22天时群落生物量和群落多样性的恢复更加完全，而仅Bt的治疗显示群落多样性的恢复较不完全。这些结果与次生演替模型非常吻合，在次生演替模型中，主要物种支持初始生长和生物量的恢复，而第三物种对于维持高潮生态系统的结构和稳定性是必不可少的（图1）。

图1 当森林生态系统从火灾中恢复时，先锋物种(如草类和牧草类)首先进入燃烧区域，为中间物种(灌木和小树)铺平道路，并在顶极物种(高冠乔木)的回归中达到高潮。Chng等描述了在抗生素治疗后的人类肠道中类似的过程，其中初级物种(如复杂的多糖降解物)为二级物种(短链脂肪酸生产者)铺平了道路，最终，三级物种(需要一个恢复的生态系统才能繁荣的细菌)。肠上皮细胞表面的淡红色阴影表明宿主黏液层的恢复。

抗生素引起的肠道微生物组多样性的消耗已被广泛认为是传染病的危险因素。先前的研究表明，益生菌实际上可能会减慢人类从抗生素中的恢复速度。 Chng等人的研究。提示某些益生菌在肠道中的生态作用可能或多或少地促进恢复。

Chng等报道的发现帮助规划将继承生态学转化为临床实践的途径，以促进常规抗生素治疗后肠道微生物组的恢复。人体是生态系统。我们将生态思维融入医学的机会越多，我们的生活就会越好。

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