如何用宏转录组学解析人类菌群？17页综述一文读懂 | 热心肠日报

今天是第2580期日报。

应用宏转录组学破译人类微生物组的进展与挑战（综述）

Trends in Genetics[IF:11.4]

① 宏转录组学已经成为一种表征人类微生物组的有效方法，且无需微生物的分离培养；② 人类相关微生物群落的分析因组织类型及其生理特征而异；③ 宏基因组学和宏转录组学联合分析可区分DNA丰度变化或转录活性变化导致的转录组改变；④ CRISPR/Cas9系统可有效地去除不需要的rRNA序列；⑤ 污染控制、质量控制和测序结果的有效组装是后续宏转录组学分析的关键；⑥ 可捕获全长转录本的第三代测序技术在人类微生物组中的应用有待开发。

Current concepts, advances, and challenges in deciphering the human microbiota with metatranscriptomics
06-24, doi: 10.1016/j.tig.2023.05.004

【主编评语】宏转录组学（Metatranscriptomics）是一种越来越广泛应用于人类相关微生物群落特征分析的方法，它能够揭示与疾病状态相关的微生物活动。一篇发表在Trends in Genetics上的综述回顾了基于宏转录组学的人类相关微生物样本分析的原则和基本流程。通过宏转录组学，我们能够更全面地了解人类微生物群对健康和疾病的影响，为合理使用抗菌药物和疾病管理提供新的思路。（@EADGBE）

用于微生物群落宏转录组学研究的新工具—MetaPro

Microbiome[IF:15.5]

① 开发了一种用于宏转录组学数据处理和分析的工具MetaPro，灵活度高、可扩展和可重复性强，能在Docker框架内实现跨平台兼容；② MetaPro从原始序列输入开始（单端或配对reads），通过分层过滤、组装和注释等步骤处理序列，最终生成细菌基因及其相对表达列表；③ MetaPro还可基于互补预测算法共识实现分类、酶注释，并通过Cytoscape工具快速实现可视化；④ 与现有方法HUMAnN3和SAMSA2相比， MetaPro在基因、分类学和酶注释方面性能更优越。

MetaPro: a scalable and reproducible data processing and analysis pipeline for metatranscriptomic investigation of microbial communities
06-27, doi: 10.1186/s40168-023-01562-6

【主编评语】宏转录组学已经成为解析微生物组数据的一种强大组学技术，但目前仍缺乏高性能的工具处理和滤掉低质量和潜在的污染物、对分类学和功能标签进行注释，整理并生成细菌基因表达谱。近日，加拿大多伦多大学研究人员及团队在MetaPro发表最新研究，开发了一种用于宏转录组学数据处理和分析的工具MetaPro（https://github.com/ParkinsonLab/MetaPro），该工具通过处理原始序列可快速实现分类、酶注释，并通过Cytoscape工具快速完成可视化，灵活度高、可扩展和可重复性强，值得关注。（@九卿臣）

基于RNA的扩增子测序能否获得真实的“活性”微生物？

Microbiome[IF:15.5]

① 针对活的和热灭活的大肠杆菌和血链球菌不同比例的合成菌群，使用16S-RNA-seq能够很好的重构其中的活菌；② 对于真实环境样本，16S-RNA-seq与16S-DNA-seq结果无明显区别，16S-RNA-seq不足以解析复杂群落中的活菌；③ 当验证类似来源的地铁系统环境样本时，DNA和RNA库间的微妙区别可反映RNA生物化学特性而不是真正的活性；④ 相比先前的研究，16S-RNA-seq方法在类似来源的样本中，能表现出几个分类群在不同样本类型中的 “相对活动 ”趋势。

RNA-based amplicon sequencing is ineffective in measuring metabolic activity in environmental microbial communities
06-13, doi: 10.1186/s40168-022-01449-y

【主编评语】由于微生物组的功能是尤其中的“活性”群落成员所定义的，解析微生物活性已成为理解微生物群落的必要工作。近日，哈佛大学研究人员在Microbiome发表最新研究，使用人工合成和自然环境的微生物群落，评估16S-RNA-seq技术评价微生物活性的准确性，发现对于简单的微生物群落效果还行，但对于真实环境样本，效果却不能反应实际情况，微生物群落多样性越高，效果越差，需要注意。（@九卿臣）

Nature子刊：化学蛋白质组学鉴定多形拟杆菌中二肽激肽酶-4同源物

Nature Chemical Biology[IF:14.8]

① 利用生物信息学和化学蛋白质组学，鉴定出肠道共生多形拟杆菌中特有的6种丝氨酸水解酶；② 其中二肽基肽酶BT4193和BT3254为人类二肽基肽酶4（hDPP4，调节胰岛素信号传导的关键酶）的同源物；③ 功能研究表明BT4193是hDPP4真正的同源物，可被hDPP4靶向药物抑制，而BT3254是被错误注释的脯氨酸三氨基肽酶；④ BT4193在维持多形拟杆菌包膜完整性及其在不同群落中的体外生长适应性至关重要；⑤ 且两种功能均不依赖于BT4193蛋白水解酶活性。

Chemoproteomic identification of a DPP4 homolog in Bacteroides thetaiotaomicron
06-22, doi: 10.1038/s41589-023-01357-8

【主编评语】丝氨酸水解酶在信号传导和人类代谢中具有重要作用，但对其在肠道共生细菌中的功能知之甚少。近日，发表在Nature Chemical Biology上的这篇文章，利用生物信息学和化学蛋白质组学鉴定出BT4193为肠道共生多形拟杆菌中的丝氨酸水解酶。（@圆圈儿）

Nature子刊：模拟肠道菌群的空间组织的体外培养方法

Nature Communications[IF:16.6]

① 对人肠道中常见的119株菌进行了全基因组测序，以常见的123个菌株为群体建立了粘蛋白水凝胶体外培养模型；② 与无载体和琼脂载体培养相比，粘蛋白水凝胶培养增加了菌群丰富度，有效促进菌株共存，且不影响菌株生长；③ 粘蛋白水凝胶培养菌群在不同条件下表现有菌株丰度变化，可有效模拟菌群的时间空间组成；④ 该培养方法可有效开展基因水平的菌群空间组织研究；⑤ 菌株的脂多糖和胞外多糖合成基因簇与其在粘蛋白水凝胶中的富集相关。

Culturing of a complex gut microbial community in mucin-hydrogel carriers reveals strain- and gene-associated spatial organization
06-14, doi: 10.1038/s41467-023-39121-0

【主编评语】人肠道菌群不仅种类复杂，且菌群在肠道中呈现特异的组织结构。这些组织结构对肠道菌群的功能和宿主的健康具有重要的作用。尽快目前对于肠道菌群的菌群的组成有了较深入的了解，但是菌群的空间组织结构研究尚浅。近期一篇发表在Nature子刊，Nature Communications的最新研究通过构建体外粘蛋白水凝胶的方式，成功实现了对肠道菌群空间组织结构的模拟。这种方法培养的肠道菌群与传统的液体培养等方法相比有显著的不同，可能更有效模拟体内菌群的空间组织结构。进一步作者通过宏基因组分析发现，细菌的粘附相关基因和一些连接基因可能是调控空间组织的重要因素。这一方法的建立为深入探究肠道菌群的空间组织和特定基因功能提供了重要的手段。（@Zhonghua）

免疫相关肺部菌群研究新方法——磁性活化细菌分选技术

Microbiome[IF:15.5]

① 使用磁性活化细胞分选技术从接受支气管肺泡灌洗（BAL）的64名患者中分离lgG结合细菌，将IgG结合细菌测序数据与原始BAL比较，然后评估携带和不携带HIV作为代表性疾病状态的个体差异；② 所有个体中均鉴定出lgG结合细菌，与原始BAL相比群落结构不同，在BAL中有与IgG结合更丰富的假单胞菌和更少口腔细菌；③ 对HIV感染者的IgG结合细菌测序表明，与原始BAL相比，BAL的IgG结合细菌因HIV状态而存在差异，IgG结合细菌与肺细胞因子水平呈正相关。

Magnetic-activated cell sorting identifies a unique lung microbiome community
05-25, doi: 10.1186/s40168-022-01434-5

【主编评语】肺菌群由于其含量较少，差异较小，因此应用常规宏基因方法开展研究遇到很大的挑战。近期一篇发表在微生物领域专业期刊Microbiome上研究，借助在肠道菌群的研究中开发了一种基于磁性活化的细菌分选技术，从而有效的分离鉴定对宿主特异性发生免疫反应和应答的肺部菌群研究中，富集的菌群与肺泡灌洗液原始的菌群结构不同，且显著富集了假单胞菌，而上述菌群差异在HIV感染患者中消失且菌的丰度与肺炎细胞因子含量成正比。该研究为肺部菌群以及菌群与细胞因子关系的研究提供了有效的工具和方法。（@Zhonghua）

使用人类微生物组数据预测健康结果的多核机器回归模型—MKMR

Briefings in Bioinformatics[IF:9.5]

① 多核机器回归（MKMR）方法能够在进行预测时捕捉各种类型的微生物组信号；② MKMR利用多种形式的微生物组信号，可从微生物组的多个距离度量转换成多个核，并学习这些核的最优二次组合，借助核权值了解单个微生物组信号类型的贡献；③ 利用模拟数据，相比微生物组信号混合的竞争方法，MKMR预测性能可大大提高；④ 使用喉咙微生物组数据和肠道项目微生物组数据用于预测吸烟状态及多种健康结果，观察到MKMR预测结果比竞争方法好。

MKMR: a multi-kernel machine regression model to predict health outcomes using human microbiome data
04-25, doi: 10.1093/bib/bbad158

【主编评语】研究发现，人体微生物群与人类健康和疾病有关，并具有预测作用。许多针对微生物组数据开发的统计方法侧重于不同的距离度量，可以捕获微生物组中的各种信息。近日，美国哥伦比亚大学研究人员在Briefings in Bioinformatics发表最新研究，开发了一种基于人类微生物组数据预测健康结果的多核机器回归模型—MKMR（https://github.com/BingLi17/MKMR），在模拟和真实数据中性能较好，值得关注。（@九卿臣）

扬州大学：多组学研究揭示肠道菌群如何影响昼夜节律

Journal of Pineal Research[IF:10.3]

① 不规则昼夜循环周期（LD）影响小鼠中枢生物钟（CC）节律性，但对肝脏中的外周CC基因的表达影响较小；② 肠道菌群（GM）可以调节肝脏昼夜节律以应对不规则的LD；③ 不规则的LD对肝脏先天免疫功能的影响大于对下丘脑的影响，极端LD改变比轻微改变的影响更大；④ 抗生素消除GM的小鼠在极端LD下外周节律稳态失调；⑤ 肠道菌群分析鉴定了一组调控宿主外周节律的核心菌群；⑥ 代谢组学分析显示肝脏色氨酸代谢介导了GM-肝-脑轴在不同LD下的稳态相互作用。

Homeostatic crosstalk among gut microbiome, hypothalamic and hepatic circadian clock oscillations, immunity and metabolism in response to different light-dark cycles: a multi-omics study
06-15, doi: 10.1111/jpi.12892

【主编评语】现代生活节奏的加快导致了生活模式的巨大改变，特别是饮食模式的改变，加上不规则的光-暗周期（LD），将进一步诱发昼夜节律失调并导致疾病。扬州大学的王梦芝教授团队发表在Journal of Pineal Research上的一项研究表明，益生菌可以调节由昼夜节律失调引起的免疫和代谢紊乱，而肝脏色氨酸代谢通路可能是不同LD影响小鼠脑-肠道微生物-肝脏代谢与免疫互作的关键通路。这项研究为开发适用于昼夜节律紊乱的个体（如轮班工人）的益生菌提供了潜在的目标，并有望为不同LD条件下反刍动物瘤胃微生物、瘤胃上皮稳态以及其营养物质吸收的精准调控技术研发提供科学指导。（@EADGBE）

中国农大：肠道菌群或可促进骨重塑（综述）

Bone Research[IF:12.7]

① 骨质疏松症（OP）患者的肠道菌群（GM）失调，小鼠实验表明GM与骨量相关，干预（粪菌移植或抗生素）GM影响骨密度，且GM通过母体垂直和同居传播影响骨骼发育；② 宿主性别和遗传、GM定植时间和抗生素治疗时间影响宿主GM组成，可导致结果异质性；③ GM通过胞外囊泡或次级代谢物，如SCFAs和硫化氢直接调节骨重塑，与免疫细胞（如Th17细胞）或与雌激素和甲状旁腺激素互作间接调节骨重塑；④ 益生菌（常规益生菌和下一代益生菌）在OP治疗有潜力。

Modulation of bone remodeling by the gut microbiota: a new therapy for osteoporosis
06-09, doi: 10.1038/s41413-023-00264-x

【主编评语】中国农业大学刘丹团队研究成果。肠道菌群对于机体的整体健康十分重要。最近的研究表明，肠道菌群还可以显著影响骨代谢以及退行性骨骼肌疾病，比如骨质疏松。本文主要综述了肠道菌群从多个方面干预骨代谢（尤其骨质疏松）的机制以及相关益生菌的潜力，值得相关人士阅读。（@Bingbing）

中南大学：代谢手术通过特定肠道代谢物改善肥胖

Theranostics[IF:12.4]

① 对高脂饮食（HFD）喂养小鼠进行垂直袖状胃切除术（VSG），研究肠道代谢物在VSG诱导的抗肥胖和代谢改善中的潜在作用和作用机制；② VSG通过不依赖于交感神经系统机制增加米色脂肪产热和能量消耗，抑制HFD诱导小鼠体重增加；③ VSG可重塑肠道菌群，显著增加厚壁菌门丰度，降低拟杆菌门丰度，导致甘草西定等代谢产物水平升高；④ 甘草西定通过激活Adrb3-cAMP-PKA信号通路促进米色脂肪产热基因表达，减少HFD喂养小鼠体重增加和胰岛素抵抗。

Vertical sleeve gastrectomy-derived gut metabolite licoricidin activates beige fat thermogenesis to combat obesity
05-21, doi: 10.7150/thno.81893

【主编评语】垂直袖状胃切除术（VSG）等减肥手术可持续减轻体重并改善葡萄糖稳态，然而其确切的潜在机制尚不清楚。近日，中南大学刘峰团队联合刘威团队在Theranostics上发表文章，研究肠道代谢物在VSG诱导的抗肥胖和代谢改善中的潜在作用和作用机制，发现甘草西定是一种VSG引发的抗肥胖代谢物，介导小鼠肠道和脂肪组织之间的串扰。因此，抗肥胖小分子的鉴定为肥胖及其相关代谢疾病的治疗选择提供新见解。（@圆圈儿）

感谢本期日报的创作者：DMG-Quasimodo，Jack Chen，湖人总冠军，Leo，Sunflower，accepted