顶级期刊专栏 | 微生物最新研究进展（20201209）
Science
综述| Science：微生物菌群在人类遗传适应中的作用
本文由萌依依编译
德国图宾根马克斯·普朗克发育生物学研究所微生物系的Ruth E. Ley等人于2020年12月04日在Science发表题为《The role of the microbiota in human genetic adaptation》的综述文章，作者回顾了人类适应新环境中表明宿主基因和微生物菌群之间存在相互作用的例子，并详细的研究了LCT-双歧杆菌和AMY1-瘤胃球菌的相互作用。作者提出了宿主机制即人体可以在局部适应过程中替换或招募有益的微生物菌群。最后作者解析了微生物与人类遗传适应有关的其他例子，包括饮食、气候相关的适应。这些例子表明微生物菌群有可能通过适应环境而不需要共同进化来影响宿主进化。
摘要：人类分布在世界各地，他们在基因上适应了当地的条件。每个人随身携带的常驻微生物群落也是如此。然而寄生微生物群落的多样性和动态化对宿主进化的集体影响却知之甚少。微生物菌群的分类组成因个体而异，表现出一系列有时是多余的功能，这些功能改变了宿主的物理化学环境，并可能改变选择压力。在这里，我们回顾了已知的人类特征和基因，微生物菌群可能对宿主饮食、气候或病原体暴露的变化做出了贡献或反应。在人类适应中整合宿主-微生物菌群的相互作用可以提供新的途径来提高我们对人类健康和进化的理解。
原名：The role of the microbiota in human genetic adaptation
译名：微生物菌群在人类遗传适应中的作用
期刊：Science
IF：41.848
发表时间：2020.12
通讯作者：Ruth E. Ley
通讯作者单位：德国图宾根马克斯·普朗克发育生物学研究所
DOI号：10.1126/science.aaz6827
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6521/eaaz6827
科研| Science：根系内胚层通过与微生物菌群之间的协作来维持植物矿物营养的内稳态
本文由话语无忧编译
英国诺丁汉大学生物科学学院Gabriel Castrillo等人于2020年11月19日在Science发表题为《Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis》的文章，本研究揭示并确定了植物应对环境矿物质营养变化的机制，同时概括了微生物组在调节根部扩散障碍的作用，此发现提高了人们对植物多细胞生物扩散屏障是如何整合微生物功能来维持矿物质营养稳态的理解。为将来基于微生物组策略提高农作物生产软木脂的应用提供了思路，有助于未来开发能吸收低毒高营养物质、抗逆和固碳能力强的作物。
摘要：植物根系和动物肠道已进化出能耐受土著微生物菌群的特有细胞层，以便于调节维持矿物质营养内稳态平衡。因此，揭示内胚层是否是植物根部扩散的障碍以及如何同微生物菌群协作的机制对于植物矿物质营养平衡至关重要。本文研究者在模式植物拟南芥中证明了调控内胚层功能的基因有助于植物微生物组的组装，同时表征了微生物菌群驱动内胚层分化的调控机制，此外，研究者证明了该机制与微生物菌群抑制植物根部激素脱落酸反应的能力有关。该发现将根系内胚层确立为是协调微生物菌群和内稳态平衡机制的枢纽。
原名：Coordination between microbiota and root endodermis supports plant mineral nutrient homeostasis
译名：根系内胚层通过与微生物菌群之间的协作来维持植物矿物营养的内稳态
期刊：Science
IF：41.85
发表时间：2020.11
通讯作者：Gabriel Castrillo
通讯作者单位：英国诺丁汉大学生物科学学院
DOI号：10.1126/science.abd0695
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/11/18/science.abd0695/tab-figures-data
科研| Science：一种作用于强耐药性真菌的海洋抗真菌药物
本文由粥粥编译
美国威斯康星大学麦迪逊分校David R. Andes, Tim S. Bugni等人于2020年11月20日在国际顶级期刊Science发表题为《A marine microbiome antifungal targets urgent-threat drug-resistant fungi》的文章，本研究指出海洋细菌可以分泌产生大量具有特殊化学结构和反应活性的天然产物，这些天然产物有些具有很强的生物活性，可进一步衍生为生物药物。Zhang等人通过代谢组学筛选海鞘微生物组中不同的微生物菌株，发现其可以产生具有高度多样化学结构的天然产物，经过筛选，发现一种多环分子Turbinmicin对真菌病原体念珠菌和烟曲霉具有较强的抗真菌活性。初步作用机制和小鼠毒性实验结果表明，这种多环分子通过真菌特异性途径发挥作用，在治疗剂量下耐受性良好。
摘要：面对当年真菌感染性疾病的出现和跨地域传播，迫切需要新的抗真菌药物尤其是多重耐药性的菌株来解决这一难题。本文通过利用海洋动物微生物群和前沿的代谢组学和基因组技术发现体内有效的抗真菌Turbinmicin分子，它在体外和模式动物小鼠中显示出对真菌病原体的多重耐药性和安全性。它作用于囊泡转运通路的Sec14受体，具有不同于其他抗真菌药物的作用模式。这些结果均表明Turbinmicin极有希望成为一种解决灾难性全球性真菌病原体的抗真菌药物。
原名：A marine microbiome antifungal targets urgent-threat drug-resistant fungi
译名：一种作用于强耐药性真菌的海洋抗真菌药物
期刊：Science
IF：41.063
发表时间：2020.11
通讯作者：David R. Andes, Tim S. Bugni
通讯作者单位：美国威斯康星大学麦迪逊分校
DOI号：10.1126/science.abd6919
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6519/974.full
Nature
科研| Nature：微生物群落高度多路复用的空间映射
本文由白羽编译
美国康奈尔大学生物医学工程学院的Hao Shi等人于2020年12月2日在Nature上发表题为《Highly multiplexed spatial mapping of microbial communities》的文章，本研究描述了用于微生物群映射的荧光原位杂交 (HIPR-FISH)，与现有的方法相比，HIPR-FISH在多重复杂性方面提供了十倍以上的改进，其所能实现的定量单细胞测量为微生物群空间生态分析提供一个框架。
摘要：由于环境微生物群落中物种的高密度和丰富多样性以及光学成像技术的局限性，以高分类和空间分辨率原位绘制微生物群落复杂生物地理分布图是一个重大挑战。在此，我们通过荧光原位杂交 (HIPR-FISH) 介绍了高系统发育分辨率的微生物群映射，它是使用基于机器学习的二进制编码、光谱成像和解码来创建复杂群落中数百种微生物物种的位置和身份的微尺地图的一种通用技术。我们发现，10位HIPR-FISH可以区分1,023株大肠杆菌，每个荧光标记都有一个独特的二进制条形。HiPR-FISH结合用于单细胞图像自动探针设计和分析的自定义算法，揭示了抗生素治疗对小鼠肠道微生物群空间网络的破坏，以及人类口腔菌斑微生物群空间结构的纵向稳定性。结合超分辨率成像，HiPR-FISH显示了人类口腔微生物群分类所展示的核糖体组织的不同策略。HiPR-FISH为以单细胞分辨率分析环境微生物群落的空间生态提供了一个框架。
原名：Highly multiplexed spatial mapping of microbial communities
译名：微生物群落高度多路复用的空间映射
期刊：Nature
IF：42.778
发表时间：2020.12
通讯作者：Hao Shi和Iwijn De Vlaminck
通讯作者单位：美国康奈尔大学生物医学工程学院
DOI号：10.1038/s41586-020-2983-4.
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2983-4
科研| Nature：肠道微生物菌群与人类免疫细胞动力学有关
本文由艾奥里亚编译
美国NYU Langone Health的Jonas Schluter等人于2020年11月25日在Nature发表题为《The gut microbiota is associated with immune cell dynamics in humans》的文章，该研究通过探究肠道微生物菌群与人体外周免疫细胞计数日常变化之间的关系，有效的将人体肠道微生物菌群与免疫系统的动态联系起来。尽管缺乏淋巴细胞和其他免疫细胞亚型等详情，但该研究直接在患者机体进行研究，添补了目前在微生物群研究的重要空白：基于动物模型的微生物群-免疫相互作用研究与临床数据之间的相关性。该研究结果表明，微生物菌群会影响人体的系统免疫，其研究结果为微生物菌群靶向干预措施以改进免疫治疗和免疫介导性和炎症性疾病的治疗打开了大门。
摘要：肠道微生物菌群影响哺乳动物免疫系统的发育和稳态，并与人类炎症性疾病和免疫疾病有关，同样肠道微生物菌群也与人体对免疫疗法的响应有关。然而，我们对肠道细菌如何调节免疫系统的了解仍然有限，特别是在人类中，我们无法基于实验的方法直接在人体上验证推断的真实性。本研究中，我们对数百名接受造血细胞移植的且密切监测的癌症患者（基于化疗和干细胞移植使这些患者有效的恢复过来）进行临床观测。这种积极的治疗导致了患者循环免疫细胞和微生物菌群发生了巨大的变化，这也使得我们能够对免疫细胞和微生物菌群之间的关系同时进行研究。对观察到的循环中性粒细胞、淋巴细胞和单核细胞的每日变化以及1万多个纵向微生物样本的分析表明，肠道细菌和免疫细胞动力学之间存在一致的关联。高分辨率的临床宏数据和Bayesian推断使我们能够比较细菌属与免疫调节药物之间的影响，揭示肠道微生物菌群对系统免疫细胞动力学的重大影响。我们的分析建立并量化了肠道微生物菌群和人类免疫系统之间的联系，这对微生物菌群驱动的免疫调节具有重要意义。
原名：The gut microbiota is associated with immune cell dynamics in humans
译名：肠道微生物菌群与人类免疫细胞动力学有关
期刊：Nature
IF：42.778
发表时间：2020.11.25
通讯作者：Jonas Schluter，Joao B. Xavier
通讯作者单位：NYU Langone Health，斯隆凯特林癌症研究中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center）
DOI号：10.1038/s41586-020-2971-8
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2971-8
科研| Nature Communications：人类微生物群功能冗余的解读
本文由明天只是重复过往编译
美国哈佛大学医学院附属布列根和妇女医院Yang-Yu Liu等人于2020年12月4日在Nature Communications发表题为《Deciphering functional redundancy in the human microbiome》的文章，本研究通过构建人类微生物组的基因组内容网络（GCN）（一种将微生物与其基因组中的基因联系起来的二分图）。GCN提供了微生物群落中不同微生物功能重叠的完整描述，使研究能够首次量化任何给定人类微生物组样本的样本内功能冗余（FR）。然后应用网络科学的工具来研究确定人类微生物样品FR的GCN的拓扑特征。此外，本文还开发了一个简单的基因组进化能够重现GCN所有关键拓扑特征的模型。利用该模型，确定了导致GCN拓扑特征的关键进化和生态因素，从而揭示了FR在人类微生物群落中的起源。
摘要：尽管人类微生物群落的分类组成在个体间差异很大，但其基因组成或功能能力是高度保守的，这意味着一种称为功能冗余的生态特性。这种功能冗余被假设为人类微生物组的稳定性和弹性的基础，但这一假设从未被定量地检验过。功能冗余的起源仍然是个谜。在这里，作者通过分析人类微生物组的基因组内容网络（一种将微生物与其基因组中的基因联系起来的二分图）来研究人类微生物组中功能冗余的基础。研究发现，该网络表现出一些有利于高功能冗余的拓扑特征。此外，作者建立了一个简单的基因组进化模型来生成基因组内容网络，发现适度的选择压力和高水平的基因转移率对于生成具有高功能冗余的关键拓扑特征的基因组内容网络是必要的。最后，作者分析了两个发表的粪便微生物群移植（FMT）研究的数据，发现受体前FMT微生物群的高功能冗余增加了供体微生物群移植的障碍。这项工作阐明了潜在的生态和进化过程，创造和维持人类微生物群落的功能冗余，并有助于其恢复力。
关键词：人类微生物组、功能冗余、基因组内容网络、拓扑特征、进化、生态
原名：Deciphering functional redundancy in the human microbiome
译名：人类微生物群功能冗余的解读
期刊：Nature Communications
IF：12.121
发表时间：2020.12.04
通讯作者：Yang-Yu Liu
通讯作者单位：美国哈佛大学医学院附属布列根和妇女医院
DOI号：10.1038/s41467-020-19940-1
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19940-1
科研| NC：从微生物基因组序列预测次生代谢产物的结构和生物学活性
本文由橙编译
加拿大麦克马斯特大学科学学院Michael A. Skinnider等人于2020年11月27日在Nature Communications发表题为《Comprehensive prediction of secondary metabolite structure and biological activity from microbial genome sequences》的文章。本研究通过PRISM 4在线平台，能够将微生物基因组遗传信息用于预测基因组编码抗生素的化学结构，包括目前临床上使用的所有种类的细菌抗生素。化学结构预测的准确性使得开发机器学习方法来预测编码分子的生物学活性成为可能。
摘要：当前人们迫切需要新型抗生素来解决迫在眉睫的全球抗生素耐药性危机。从历史上看，临床上使用抗生素的主要来源是微生物的次生代谢产物。微生物基因组测序结果中发现了大量未鉴定的天然抗生素信息，然而，将序列信息解读为编码分子的化学结构阻碍了这些次生代谢产物的分离工作。在这里，作者开发了PRISM 4在线平台，一个用于预测基因组编码抗生素的化学结构的综合平台，包括目前临床上使用的所有种类的细菌抗生素。作者应用PRISM 4绘制了来自培养分离物和宏基因组数据集的10,000多个细菌基因组中的次级代谢产物生物合成图，揭示了数千种编码的抗生素。PRISM 4可作为交互式Web应用程序免费获得，网址为：http://prism.adapsyn.com。
原名：Comprehensive prediction of secondary metabolite structure and biological activity from microbial genome sequences
译名：从微生物基因组序列预测次生代谢产物的结构和生物学活性
期刊：Nature Communications
IF：12.121
发表时间：2020.11
通讯作者：Michael A. Skinnider和Chris A. Dejong
通讯作者单位：加拿大麦克马斯特大学科学学院
DOI号：10.1038/s41467-020-19986-1
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19986-1
科研| Nature Communications：大肠杆菌中最弱的菌株在非传递不对称相互作用中得以存活
本文由小白同学编译
摘要：生态学中层级组织以交互作用的方式形成优势物种，使得除了优势竞争对手之外的其他物种被排除在外。另一方面，非层级方式的竞争，如循环相互作用，可以维持生物多样性。本研究设计了一个简单的微生物群落，其中三株大肠杆菌发生循环相互作用如下：(i) 抑制蛋白产物，(ii) 消化基因组DNA，(iii) 破坏细胞膜。研究发现，这三种主要竞争机制间的内在差异使得该群落由最弱的一个菌株主导。通过模型计算可以描述相对毒性、菌株初始占比和空间格局如何影响生物多样性的维持。通过人工构筑微生物物种间的竞争，为进一步探索驱动复杂生态中相互作用的基本原则建立了一个框架。
原名：Survival of the weakest in non-transitive asymmetric interactions among strains of E. coli
译名：大肠杆菌中最弱的菌株在非传递不对称相互作用中得以存活
期刊：Nature Communications
IF：12.121
发表时间：2020.11
通讯作者：Jeff Hasty
通讯作者单位：加州大学圣地亚哥分校
DOI号：10.1038/s41467-020-19963-8
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19963-8
科研| Nature Communications：慢性阻塞性肺疾病患者的疾病相关肠道微生物组和代谢组变化
本文由Larry.Lu编译
昆士兰大学澳大利亚生态基因组学中心Philip M. Hansbro等人于2020年11月18日在Nature Communications发表题为《Disease-associated gut microbiome and metabolome changes in patients with chronic obstructive pulmonary disease》的文章，本研究通过16S rRNA扩增子测序、宏基因组测序、非靶向代谢组学技术，对慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者粪便中与COPD相关微生物和代谢组的变化进行研究。该研究有助于利用肠道微生物或肠道代谢物寻找COPD患者的生物标记物。
摘要：慢性阻塞性肺疾病（COPD）是全球第三大最常见的死亡原因，并且表现为进行性炎症性肺疾病，目前无法治愈。肺部微生物组对COPD的疾病进展有影响，但患者肠道微生物组的功能作用尚不清楚。在该研究中，通过测定COPD患者和健康对照组的粪便微生物组和代谢组信息，发现了两组之间有146种细菌存在差异。其中一些细菌，包括链球菌（Streptococcus sp000187445），前庭链球菌（Streptococcus vestibularis）和链霉菌科（Lachnospiraceae）的多个物种，也与肺功能下降相关。通过非靶向代谢组学可鉴定出COPD代谢特征，其中包括46％脂质，20％外源化合物和20％氨基酸相关代谢物。此外，该研究描述了一种疾病相关网络，其将副链球菌（Streptococcus parasanguinis_B）与COPD相关代谢物（包括N-乙酰谷氨酸及其类似物N-氨基甲酰基谷氨酸）连接在一起。研究结果表明，COPD患者的粪便中微生物组和代谢组与健康个体存在不同，因此研究结果可能有助于寻找COPD的生物标志物。
原名：Disease-associated gut microbiome and metabolome changes in patients with chronic obstructive pulmonary disease
译名：慢性阻塞性肺疾病患者的疾病相关肠道微生物组和代谢组变化
期刊：Nature Communications
IF：12.121
发表时间：2020.11
通讯作者：Philip M. Hansbro
通讯作者单位：昆士兰大学澳大利亚生态基因组学中心
DOI号：10.1038/s41467-020-19701-0
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-020-19701-0
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