本文由熊志强编译，董小橙、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转载。
导 读
尽管微生物群落中复杂的组分在宿主体内面临一系列的选择压力但他们仍需要不断适应以保持一直存在于宿主体内。本研究中，作者着重介绍了近年来，宿主相关微生物群（这些微生物群能够抵抗生物和非生物的干扰）在遗传信息进化和转移方面的相关工作。通过研究发现，在应激水平上，作者认为后代适应信息的保守性和多样化。在群落层面，作者考虑了生态系统中不同微生物之间的遗传信息交换。最后，作者将微生物群落构建为一种开放性系统，其通过外来微生物的入侵从外界生态系统获取新的信息。
论文ID
原名：Multiscale Evolutionary Dynamics of Host-Associated Microbiomes
译名：宿主相关微生物群落的多尺度进化动力学
期刊：Cell
IF：31.398
发表时间：2018年
通讯作者：Gautam Dantas
作者单位：Washington University School of Medicine
综述内容
引言
人体由多种微生物组成（统称为微生物群落），其数量超过人体内的细胞和遗传的含量。近几十年来，人们对这些微生物在人类健康和疾病中所起作用的认识有所提高，这反过来也激发了人们对微生物导向或衍生疗法的兴趣。健康的人类微生物组可以被认为是微生物群落组成和功能的伪稳定状态（一种处于生态稳定的最低值），因此，它们对外界的扰动具有较强的抗御能力。利用宏组学和非生物技术进行的研究揭示了微生物在营养吸收、维生素生物合成、免疫系统成熟、病原体定植抗性和其他关键生理过程中的关键和普遍的因果作用关系。多数的研究通过宏基因组学技术来描述微生物群在不同的选择压力下的动态变化，而对于了解单个微生物是如何在这些系统中进化仍具有挑战性。
微生物的世代时间较短，其进化迅速。此外，细菌的进化可以分为垂直（即跨代）以及横向（即代内）两部分组成。在微生物体外进化方面的研究表明，微生物进化具有快速适应和无性干扰的特点，但有关研究宿主相关微生物在原位和群落环境中的演化的研究较少。因此，“微生物群落在何种程度上以特定宿主的方式进化？”这一问题仍值得思考。诸如外界饮食的摄入，不同宿主的日常饮食等不同的外界因素会使不同个体产生不同的应激效应。事实上，最近的两项研究表明，人体皮肤和肠道微生物群落在菌株水平上具有高度的特异性。这可能是由于长时间的累积变化或不同宿主不同的特异性所导致。因此本研究对这两部分进行探究，以提供充分的证据。
在本综述中，作者研究了人类相关微生物在三个尺度上的进化（图1）。遗传变化由于其中具有单核苷酸多态性（SNP）、拷贝数变异和单个微生物基因组中的编码区和非编码区的特点，因此遗传变化作为第一个尺度发生在基因水平上。第二个尺度是在微生物群落水平上的变化，在该水平上，基因可以通过水平转移（HGT），通过转化、结合或噬菌体转导，在群落内的多个菌株之间进行进化。第三个尺度则是跨生态系统交换，其中微生物群落可以从其他生境获得编码有益或有害功能的新的遗传内容。通过总结作者发现，遗传变化往往在多个尺度上同时发生，利用这种微生物进化的多尺度框架来讨论最近关于宿主相关微生物在体内适应模式的工作。
图1 微生物进化尺度。第一尺度（A）：通过单核苷酸多态性、重排和转座子介导的插入进行进化。第二尺度（B）：微生物群内的进化，包括通过转导、结合和转化介导的HGT。第三尺度（C）：微生物群落间的进化是由生物传播介导的。
体内进化对外界生物分子的响应
人类的微生物群暴露在大量的外来小分子中，其中最明显的是抗生素和抗真菌药物。其他化合物，如重金属，除了对宿主生理的影响外，还对共生微生物和病原微生物施加独特的选择压力。令人兴奋的最新工作是揭示这类外来生物对人类微生物的进化影响。
抗生素耐药性的演变与转移
几十年来，通过定点突变对抗菌药物的抗药性已经在混合良好、营养丰富、无菌的发酵液环境中进行了研究。这些研究为由于药物抗性所产生的进化机理提供了有价值的见解。有关微生物在人类或动物宿主中的进化的研究相对较少，在复杂的环境中，抗生素抗药性和竞争适应度之间的种种关系可能更为明显。在最近的一项研究中，由于rluD和gidB基因的缺失，一株天然分离的E. coli在链霉素处理小鼠的肠道中传代了一年多，这两个基因的缺失使得其对链霉素的抗性增强。有趣的是，这种菌株在体内的进化速度比在体外慢。
由于肠道是人体内微生物群落密度最高的区域，大多数体内微生物对抗生素耐药性进化的研究都集中在第二阶段的遗传变化上，即肠道微生物间的水平基因转移（HGT）。近年来，全基因组测序揭示了在治疗过程中肠道细菌之间耐药基因的共享。一株从服用阿莫西林、氨苄西林和甲氧苄啶的婴儿中分离得到的E. coli显示，在治疗过程中，含有抗生素耐药基因(ARG)的质粒通过连接到易感菌株进行了菌株间转移。在另一项研究中，携带抗生素抗药性质粒的Pseudomonas moraviensis在抗生素选择下进化了1000代。从共居的天然质粒中通过转位获得抗毒素系统，扩大了其持久性和宿主范围。虽然这不是HGT典型的实例，但细胞内的质粒遗传转移的实例增加了我们对HGT的理解，当质粒携带有利于宿主的基因时，细菌和它们所携带的质粒之间的共同进化。最近在Staphylococcus中证实，噬菌体可以低频率捕获基因组DNA，包括ARGs，从而使它们能够转移到其他细胞。噬菌体介导的ARGs在E. coli和Salmonella菌株中的传播中也有研究，但其机理并不清楚。
由于微生物群落中ARG交换的高度普遍性以及微生物在群落间转移的潜力，哪些生境可能成为转移给人类并对健康构成威胁的抗药性基因的潜在危险生境。基因组学分析的应用，无论是现有的还是新的数据集，都揭示了可移动抗性的广泛性和起源。通过基因组分析表明，与食物和农业相关的生物是肠道微生物ARGs基因水平转移的主要参与者。在低收入农村和城郊环境中，鸡舍和污水处理厂是ARG富集和在人类与环境微生物之间传播的热点，通过分析还确定了在多种遗传环境下可能产生关键ARGs，并具有很高的流动性。医院同样被认为是抗药性基因的储藏库。基于以上数据，迫切需要全面衡量人类，环境和病原体主导的全球微生物之间ARG转移的速度和类型，以便改进对ARG传播的分子监测。
抗真菌作用下的进化和水平转移（HGT）反应
细菌在体内进化研究中得到了广泛的关注，但共生及致病性真菌在肠道中也起着重要的作用，他们同样对选择性压力做出进化响应。在实际中，在氟康唑治疗过程中，Candida albicans产生了一系列不同的基因突变。由于真菌不同的基因组结构，包括多条线性染色体和多倍体，揭示了更多的进化模式。杂合性丢失是产生氟康唑抗性的主要因素，而这一机制在细菌中是无法观察到的。此外，多倍体已被证明可以使生物体对不利的基因突变产生缓冲作用，因此能够对更广泛的序列空间进行进化探索，可能有助于本研究中观察到的大量SNPs。最后，非整倍体(大染色体片段的丢失和增加)是一种类似于细菌大规模基因缺失或复制事件的机制，也是导致氟康唑抗药性的原因之一。尽管相关的体内作用机制尚不明确，但真菌以及一些细菌参与了HGT作用在最近的研究中以被证明。这些过程表明，除了细菌外，基于进化的第二和第三尺度，肠道真菌可能是水平基因传递和跨生态系统基因交换的重要参与者。
重金属暴露的演化
重金属暴露会对共生细菌造成明显的选择性压力。最近的研究表明，铜补充剂（一种促进牛生长的技术）可以提高牛肠道Enterococcus faecium对铜的抗药性。也有研究发现铜抗性基因(tcrB)在具有大环内酯和四环素的耐药基因的质粒上所携带。研究者随后发现，这些多药耐药性和耐铜性表型在结合试验中是共同转移的。此外，金属和抗生素在单个质粒上的共存已经在其他肠道环境中被观察到。这表明，对于在生态系统之间转运的生物（例如通过农业和食物消费网络），在一个生境中所经历的选择性压力可能导致在生境之间存在和传播共同定位但不同的遗传物质，这是第二个和第三个尺度上遗传变化的组合。
体内进化对宿主饮食的响应
许多微生物，特别是胃肠道的微生物，可以通过宿主的膳食物质作为其营养来源。因此，与宿主相关的微生物适应宿主独特的饮食条件也不足为奇。目前对由于饮食所引起的物种相对丰度的变化进行了研究，但在机体内所发生的基因突变以及基因重组却少有研究。这可能是由于，和使用药物相比，饮食所造成的选择性压力更弱，但其持续时间较长。尽管如此，在不同人群中的微生物多样性回顾性案例分析表明，基于遗传信息转移使得人类肠道微生物群适应一种专门的饮食。在“强制HGT”实验中（将一种微生物的基因一同转移到另一种微生物的载体上），并通过小鼠肠道传代选择更合适的转化子。通过使用这种技术，最近发现从B. thetaiotaomicron中获得的碳水化合物酶基因可以使无菌小鼠肠道中的E. coli在实验室中具有健康优势。在更真实的肠道环境中确定哪些功能对E. coli（以及其他肠道微生物）有选择性的优势是很有趣的，因为这将为肠道中的HGT提供更广泛的风险评估。
微生物群落竞争的进化响应
人类相关的微生物面临着一系列的选择压力，但在不同的身体部位和宿主健康或疾病的情况下是不同的（图2）。环境的挑战性和动态性导致微生物之间的相互竞争，微生物群落等位基因组成的持续转变。例如在一个亚群体中进行代谢适应，从而产生新的生态位，而其他亚群体也可以通过进化来产生新的生态位。在极端情况下，某些细菌利用其他细菌产生的分泌分子，如蛋白酶或铁螯合铁磷等，“欺骗”其他细菌继续产生该种物质以满足自身需要，但这些分泌因子对除了它本身的其他细菌来说可能并不具有任何有益的地方。相反，一些微生物可能存在进化，他们将他们自身分泌的物质私有化。例如，P. aeruginosa被证明可以减少铁载体产量，同时增加一种替代化合物的产量，以提高铁在一些菌株存在下产生的铁的有效性。如图3A所示，竞争群落的等位基因组成正在经历一个较大的转变。细菌之间的关系不仅在种群间保持着动态关系，在种群内部也是动态的，正是由于这种动态变化使得其在不断的发生着进化。目前已有研究表明，进化实验可以在遗传水平上一定程度的揭示对寄主内适应能力重要的性状，并详细说明细菌群体在逆境下表现出的适应性动态变化。
图2 人体影响微生物进化的特征。
图3 共域和竞争谱系的进化动力学。包括抗生素产生、敏感、耐药或降解微生物表型的适应性动力学的一个例子（A）；经典的进化优势谱系模型（B左）；进化的克隆干扰模型（B右）。
肠道细菌菌群的进化
在一项E. coil适应小鼠肠道的研究中，使用YFP-和CFP-标记的E. coli注入到链霉素处理的小鼠内随后收集24天内的样本，通过研究发现所分离的克隆子表现出与碳水化合物代谢相关的适应性突变。通过分离得到的克隆子的全基因组测序可以发现，在操纵子和基因水平上表现进化的平行性，参与半乳糖醇的代谢的gat操纵子表现出失活突变。有趣的是，所有三重突变体均为gat阴性，其中sriR，dcuB或sriR以及focA都有额外的突变，但dcuB和focA同时同时发生突变的概率很低（仅有6%）。这是由于dcuB和focA携带相似功能的基因，这表明异位显性基因在适应中的重要作用。在以链霉素处理的小鼠作为实验对象，长期体内实验中同样观察到相似的E. coli的变化特征（约6500代）。有研究称，在基因和通路水平上，基因失活和家系间适应性的平行性都有很强的选择性（例如半乳糖酸操纵子，核糖体成熟基因）。在E. coli中有56%的突变体至少有两个家族。在这些使用单一物种的进化实验中，适应有第一个尺度所包含的类型占据主导地位：基因和操纵子水平的多态性通过细菌复制垂直传播。
皮肤细菌菌群的进化
尽管宏基因组学技术的发展，但由于皮肤微生物相对较低，目前很少有关于对皮肤微生物群落在宿主内部的进化的研究。从13例无症状携带者鼻腔中共分离出131个S. aureus分离物随后进行测序。尽管宿主内部也存在遗传变异，但宿主之间的遗传变异更大，有证据表明宿主相关的菌群都是从单一的定植事件中衍生出来的。在常规序列分型中所使用的多位点序列分型位点中没有发现菌株变异，这表明利用全基因组测序方法进行谱系跟踪的重要性。虽然在肠道微生物中已经发现适应性进化的优势，但在皮肤微生物研究中，皮肤共生体的适应性进化更加罕见。另一项有关皮肤微生物的研究中，利用KEGG注释识别，在多等位基因Propionibacterium acnes和S. epidermidis中发现了个体相关SNP标记的长期稳定性，其中由于S. epidermidis中存在较为宽泛的嵌合位点，使得S. epidermidis比P. acnes具有更大的功能变异。皮肤微生物群是未来研究寄主内部进化的一个令人兴奋的领域，但由于在局部选择压力大、生物多样性低、亚群体划分、取样容易(尽管丰度低)以及与外界有独特的直接界面等方面使得分析结果存在着巨大的差异。
感染期间的病原体进化不同生境间的微生物群落交换
目前有关体内致病性适应的研究主要是对慢性感染的调查，这涉及到对克隆子相关分离物的纵向比较。这些是第三次尺度上理想的生物进化，包括通过外来微生物的定植将新的遗传信息添加到受干扰的微生物群中。此外，这些入侵的微生物本身适应新的环境，满足在第一个尺度上的遗传变化。从5例囊性纤维化(Cf)患者中分离出的数百株Burkholderia dolosa的全基因组测序显示出高度的多态性和平行性，这与探索非致病性菌株适应性的研究一样。这些患者体内检测到包括参与外膜合成、喹诺酮抗性、清除铁和脂多糖转运的基因在内的多个谱系。由于可以提供病原体在宿主体内所经历的动态变化情况，因此这些数据还证明了单克隆测序的实用性。在另一项研究中，对10例CF患者的91株Stenotrophomonas maltophilia进行了测序，确定了3个主要家系的20种不同的序列类型，以及不同家系之间的持续多态异质性。其中强毒株的突变率呈显著上升趋势，且这些强突变株与较高的耐药性显著相关。在另一项研究中，18名南非复发性真菌感染患者中仅一部分出现复发情况，为了探究是否存在决定复发的适应性突变进行了进一步研究。其中89%的复发感染是由与初始感染相同基因型的分离物引起的，表明该病毒具有持续的表型。
不同生境间的微生物群落交换
由于每个微生物之间DNA亚基因组区域的共享，整个基因组或基因组集合可以在微生物群落之间共享，这是第三层次遗传变化的特征。虽然致病性和定殖是众所周知的单基因组利用新宿主生态位的例子，但关于多基因组转移的机理和过程才刚刚开始被阐明。一些微生物群转移的最明显的例子是通过可分辨的微生物群落和无菌小鼠共培养所得的结果提供的。某些营养不良的小鼠与健康小鼠共同生活，其中健康个体的微生物可转移到“不健康”的小鼠中，而且这种转移可以改善由不健康的微生物群所造成的发育障碍。在以含有“肥胖”或“瘦小”微生物体的老鼠作为研究对象时，同样发现了相似的结果。
作为与原环境中的“最适合”的概念相反的例子，有研究还通过共室实验证明，即使存在来自其他肠道环境的细菌，土壤细菌也可以支配小鼠的肠道。这些研究表明，微生物定植的决定因素在很大程度上仍是未知的，是未来研究的一个富有成果的领域。
结论和未来展望
总之，人体的不同部位细菌定植的特点是在长时间的克隆干扰和小概率的等位基因固定，同样还包括在基因和操作子水平上的谱系间的适应性并行性。这些适应提供了有关微生物在宿主内所经历的选择性压力的动态变化情况，一些病原菌所引起的表征通常也与一些慢性病有关。此外，大多数谱系研究缺乏对基因组调控区域的适应性分析以及可能产生的影响。在将来，相关的研究可以通过转录分析加以补充。
当我们想要通过人工设计益生菌来提供生物制剂和调节微生物组分时，还需要做更多的工作来评估肠道中益生菌在健康或疾病方面的进化的风险。同样，由于全部的或部分的微生物群落的转移显示出治疗的前景，因此需要探索相关naı¨ve微生物群落在其新宿主体内对疾病状态的进化反应。随着技术的发展，特别是，直接从宏基因组作为一种有效的技术手段，有助于利用短读测序来识别菌株水平的变异（图4A）。此外，将多种培养条件与质谱或测序鉴定相结合的培养技术的进步使传统上无法接触的微生物群成员得以分离（图4B）。最后，单细胞测序绕过了培养的限制，并提供了必要的解决方案，以确定微生物在群落中的适应能力（图4C）。随着技术的发展使得人们对于基因水平的认知更加深入，但这需要更多的投资来理解宿主内部决定微生物的复杂进化动态变化。
图4 宿主相关微生物原位进化研究的未来方向。在研究个体微生物在群落中的进化过程中仍存在挑战，随着时间的推移，克服这一障碍的三种方法是宏基因组测序(A)、下一代培养(B)和单细胞测序(C)。
评 论
为了阐述人体不同部分微生物进化规律，笔者基于宏基因组测序，发现遗传变化往往在多个尺度上同时发生，但由于个体差异性，使得人体皮肤微生物的进化存在一些差异性，基于作者总结，笔者提出三种不同层次的进化方式，利用这种微生物进化的多尺度框架可以进一步深入理解人体相关微生物进化过程，同时提出在未来的研究过程中，应该结合单细胞测序，转录本测序等水平进一步丰富人来对微生物进化的认识。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。
联系客服
