审查
多样性,人类肠道微生物群的稳定性和弹性
自然。
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文摘
数万亿居住在人类肠道微生物,形成一个复杂的生态社区,通过集体影响正常生理和对疾病的易感性的代谢活动和主机的交互。理解背后的因素改变肠道微生物群的组成和功能将帮助设计的治疗目标。这个目标是可怕的。肠道微生物群非常多样化,不同个体之间,可以随时间波动,尤其是在疾病和早期发展。从生态的角度查看微生物群可以提供洞察如何促进健康人们针对微生物群落在临床治疗。
数据
保持健康的微生物群在某些方面像草坪护理:严重的干预措施,如抗生素可以把生态系统回光秃秃的土地上,要求它必须重新从头开始。尽管许多人恢复自然,它决不是保证,“杂草丛生的”物种适应经常扰乱生态系统。在这次审查中,我们讨论几个当前生态系统恢复策略:益生菌(补种一些定义良好的“好细菌”),益生元(添加化合物被认为特别促进有益微生物的生长),和粪便细菌疗法(移植整个微生物生态系统,如从粪便样本)。这些策略类似于使用草坪种子,分别地盘食物,和草皮。额外的策略,没有显示,是使用特定的药物目标不良微生物群落的成员如窄谱抗生素。尽管我们开始学习健康的微生物群落的样子和识别杂草的迹象,我们理解的策略来改变微生物群的效果最好,并预测这将为一个给定的个人工作,仍处于起步阶段。
从粪便中提取DNA样本可以通过有针对性的评估排序系统的信息基因(通常是四rRNA)或随机测序的基因。基因组序列从培养隔离链接这两个数据集的指示物种包含哪些基因,因此功能。猎枪宏基因组数据因此更多的有用的参考基因组的数量继续增加额外压力测序的努力。四核糖体rna基因序列中有效地相互关联的系统发育树,因为相关phylotypes(集群相似的序列定义为序列相似性)通常有更多类似的功能属性。功能基因可以被扔进垃圾箱功能类别(FC)功能本体的一部分,但是那些执行的编码蛋白质酶促反应最有效使用代谢网络彼此相关,因为相邻的基因在特定代谢途径可以产生相互配合的表型。组成和功能多样性模式可以互相通知。他们往往是高度相关的,但这些一般情况下相关性并不持有生物或生态重要。预测功能的物种组合目前仍然是一个尚未解决的问题,尽管这一事实整体基因组差异和差异的高度相关的半导体存储器核糖体rna序列表明这样的预测可能有一天成为可能。到目前为止,最强大的研究倾向于结合四rRNA分析确定分类单元丰富(微生物群)用猎枪宏基因组分析理解函数(微生物)。补充这些研究与信使rna,蛋白质和代谢物水平分析社区样本(同时获得主机标本,如血清和尿液)将是至关重要的,这样我们可以从在硅片的预测函数来表达社会属性的直接测量。
人类微生物群显示一个非凡的内和个体间的变异程度。虽然可以简化这种复杂性评估社区在更高的分类水平,如门的相对丰度相比,许多物种在每个门有不同的生物学性质,和更高的分类水平显著变化发现很可能由只有一个子集的物种在这些较高的类群。这里我们说明了高多样性和个体之间的差异性,并分类分组在高水平的程度可以掩盖这种多样性,使用16 s rRNA序列的数据从四个美国成年人之前描述的裁判。我们选择这四个人来说明门水平多样性可能显著不同甚至在相同的人口在健康的成年人。个人拟杆菌门的比例异常之高,单个D Fusobacteria非常高,B和C和个人有更多的典型门水平分布这一群人,由厚壁菌门和拟杆菌门。然而,即使显然类似B和C在细尺度不同。树描述之间的系统发育关系了解phylotypes仅在厚壁菌门门,迄今为止最不同的类群,在个人B和C .分支机构具体个人B是红色的,分支机构针对个人C是蓝色的,和共享分支是紫色的。每个人都有许多独特的phylotypes未找到。许多调查中描述的人类肠道,,,Ruminococcaceae Lachnospiraceae家庭尤其富含phylotypes。
微生物生态系统表现出高度的功能冗余的微生物生态系统可能在macroecosystems镜子。高熔点数据集说明了这个原则:口服社区(a)和粪便社区(b)显示巨大的多样性物种丰富,然而彼此有着惊人的相似之处获得的功能配置猎枪宏基因组从同一样本分别(c)和(d)。
只报道“欠佳”测定当评估个人从美国和欧洲,但包括儿童来自美国和来自发展中国家的儿童和成人大大扩展了的照片human-associated微生物群的多样性。我们说明这个531年显示微生物群之间的关系健康的婴儿,儿童,成人和从马拉维,委内瑞拉的印第安人,美国被评估使用16 s rRNA基因序列在粪便样本和未加权的PCoA分析UniFrac距离(改编自参考图S2)。微生物群多样性解释主要由年龄(婴儿区分强烈从成人)和未来文化(从美国成年人有不同的成分相比,成年人从马拉维和委内瑞拉的印第安人)。点从西方成年人环绕在白色,剩下的用蓝色阴影。
在早期的发展过程中,肠道微生物群进行一个系统的物种周转率(原生演替),直到达到成人状态稳定。正面和负面反馈循环可能发挥作用在驾驶原生演替和赋予弹性健康稳定的平衡态。急性障碍,如抗生素管理,通常是紧随其后的是一个不稳定的状态,发展到一个稳定状态通过一个次级演替的过程。在某些情况下,稳定状态返回高度类似pre-disturbance状态,表明一个完整的恢复,但有时post-recovery稳定状态是不同的。Post-disturbance稳定状态可能退化和弹性,例如作为建议的持续感染后肠易激综合症(IBS形成最初的急性扰动后的微生物群enteropathogen)在某些个人几年甚至几十年。弹性退化状态可能是由独特的正面和负面的反馈,出现在音乐会和独立的主机。退化到一个稳定状态还可能出现由于持续的压力,如不良的饮食习惯,慢慢降低韧性的健康状态,直到一个阈值被传递,这样新反馈成为重要的在维护社区组成和稳定。开发治疗时,鼓励从退化过渡到健康的稳定状态,或完全恢复健康稳定状态扰动后,可能涉及识别物种(或物种组合)和过程这些反馈的关键因素。一个关键尚未解决的问题是早期干预更有效连续当社区更不稳定但可能是随机的,或在继承当收敛到终点更特定的轨迹可能更难以改变。
评论
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