MIT和Broad研究所的科學(xué)家稱，他們已分離并保存了在人類消化道發(fā)現(xiàn)的近8000種細(xì)菌的樣本，形成一個名為“BIO-ML”的數(shù)據(jù)庫，并將其開放給任何對此感興趣的研究人員使用。
BIO-ML，全名Broad Institute-OpenBiome Microbiome Library，這是一個由7758株腸道細(xì)菌分離株、3632個基因組序列和縱向多組學(xué)數(shù)據(jù)組成的綜合性數(shù)據(jù)庫。
該數(shù)據(jù)庫提供了對數(shù)千種臨床相關(guān)、但未被充分闡明的菌株及其相關(guān)多組學(xué)數(shù)據(jù)的開放訪問，它有助于科學(xué)家們揭示人體腸道菌群的動態(tài)變化。
數(shù)據(jù)庫鏈接：
https://www.broadinstitute.org/infectious-disease-and-microbiome/broad-institute-openbiome-microbiome-library
研究方法、附加參考資料、自然研究報告摘要、源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可用性聲明及相關(guān)代碼：
https://www.nature.com/articles/s41591-019-0559-3
研究名稱：A library of human gut bacterial isolates paired with longitudinal multiomics data enables mechanistic microbiome research
期刊：Nature Medicine
發(fā)表時間：2019年9月2日
IF：30.641
DOI:10.1038/s41591-019-0559-3
麻省理工和Broad研究所的研究人員近日宣布，一個由7758株人類腸道細(xì)菌分離株組成的數(shù)據(jù)庫“BIO-ML”正式上線。
這些細(xì)菌分離株來自O(shè)penBiome的人類健康FMT（糞菌移植）供體，它涵蓋了目前發(fā)現(xiàn)的人類腸道中大多數(shù)系統(tǒng)發(fā)育多樣性。OpenBiome是首家糞菌銀行，這些糞便供體都來自波士頓地區(qū)。
他們報告了3632株分離株的全基因組序列（WGSs），這些分離株主要覆蓋人體腸道中6個主要細(xì)菌門：放線菌Actinobacteria、擬桿菌Bacteroidetes、厚壁菌Firmicutes、梭桿菌Fusobacteria、變形桿菌Proteobacteria和疣狀體菌Verrucomicrobia，讓研究者能在體內(nèi)外測試和預(yù)測表型，如代謝能力或抗生素耐藥性。
研究人員收集了約90人的糞便樣本，并對其中一些樣本持續(xù)跟蹤達(dá)2年，以得到腸道菌群16 S、宏基因組和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)在時間線上的變化。
我們已經(jīng)知道，人類的消化道中存在數(shù)萬億的細(xì)菌細(xì)胞。雖然已有大量研究表明：腸道菌群會隨著時間的推移而變化和進(jìn)化，但科學(xué)家們觀察到這一點的機(jī)會還不多——尤其是嚴(yán)格的人體腸道厭氧菌，直到最近才被認(rèn)為可以實現(xiàn)體外培養(yǎng)，因而對它們的密集取樣還有很大空白。
作者之一、麻省理工學(xué)院微生物組中心主任Eric Alm說，“這些分離菌株樣本助于揭示人體腸道菌群的動態(tài)變化，讓科學(xué)家們開發(fā)應(yīng)對各種疾病的新療法”。
1）通過分析同一宿主內(nèi)腸道菌群隨時間的變化，研究人員發(fā)現(xiàn)了菌株間一些新的相互作用
研究人員在報告中舉了一些例子，說明了如何利用這些數(shù)據(jù)更好地了解人體內(nèi)和人與人之間腸道微生物群的生態(tài)進(jìn)化動態(tài)。
1.案例“bk”
研究人員觀察到，每個個體都有一個獨特的“微多樣性（micro-diversity）”，它由密切相關(guān)的菌株組成。
但是，菌株的系統(tǒng)發(fā)育也并不完全與它們的基因含量相符。即：細(xì)菌菌株的基因庫在進(jìn)化過程中是可塑的。
舉個例子，這種基因庫的快速轉(zhuǎn)換（turnover）可以在供體“bk”中觀察到：有兩個不同的B. adolescentis菌株經(jīng)歷了50-kb基因簇的聚合丟失（下圖f）。
人體腸道共生細(xì)菌的快速基因組進(jìn)化
因此，在個體的生命周期中，菌株的基因組含量和功能可能會發(fā)生變化，這可能是由于宿主特定的環(huán)境因素，或者微生物之間的相互作用而引起的。
2.案例“am”
在另一個案例中，研究人員發(fā)現(xiàn)，供體“am”被多個遠(yuǎn)緣相關(guān)血尿桿菌Turicibacter sanguinis菌株連續(xù)定植，這些菌株在取樣期間迅速相互取代——一株T. sanguinis菌株幾乎一夜之間就完全取代了同一物種的相關(guān)菌株：
T. sanguinis是一種孢子形成菌，它在腸道中的豐度較低。這些菌株的快速轉(zhuǎn)換（turnover）可能是遠(yuǎn)緣相關(guān)菌株的混合物中孢子開花的結(jié)果，也可能由連續(xù)的定植事件和應(yīng)變位移引起。
2）使用多個時間點的平均值，對于精確量化個體內(nèi)細(xì)菌類群和功能的豐度可能是最佳選擇
通過縱向數(shù)據(jù)集分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，無論是在分類群還是廣泛的功能分類方面，每個人都有一個穩(wěn)定和獨特的微生物群結(jié)構(gòu)。
然而，在給定ASV（相當(dāng)于100%的OTU）和COG條件下，菌群類別的相對豐度每日大幅波動，但中位數(shù)保持相對恒定。
那么，收集多少數(shù)據(jù)值才能讓誤差最小化？研究人員說，他們的答案是：5到9個時間點。
3）研究人員還分析了糞便代謝物，發(fā)現(xiàn)氨基酸水平與個體內(nèi)微生物種群的縱向變化密切相關(guān)
研究小組測量和分析了47930個代謝特征，發(fā)現(xiàn)受試者糞便中的代謝物含量隨時間顯著變化。
這些代謝物包括幾種氨基酸，如絲氨酸、賴氨酸、谷氨酰胺、酪氨酸和瓜氨酸，以及維生素，如煙酸和泛酸鹽，以及一些膽固醇酯。
研究人員認(rèn)為，氨基酸的這些變化可能是由于飲食、炎癥或結(jié)腸的細(xì)胞損傷引起的。
然而，不同人群中微生物組成的差異，則與膽汁酸水平密切相關(guān)。但究竟是什么導(dǎo)致了氨基酸和膽汁酸水平的差異，科學(xué)家們暫時還不清楚。
4）結(jié)語
菌株多樣性在人類宿主中是一個廣泛存在的現(xiàn)象。越來越多的新研究指出，同一物種的菌株之間的功能差異，也會影響人類健康。比如：
菌株水平的差異會影響飲食化合物的代謝，如低聚半乳糖或不可消化纖維；
細(xì)菌介導(dǎo)的藥物代謝在不同菌株間也可能不同，它們會影響藥物療效和毒性；
毒力基因的基因組變異，可以改變菌株的致病性；
不同的菌株可引起不同的免疫反應(yīng)，如細(xì)胞因子的產(chǎn)生。
迄今對人體腸道微生物群的橫斷面和縱向調(diào)查，推動了大量“腸道菌群”如何影響健康的假設(shè)。
本文作者認(rèn)為，微生物組研究的下一階段，要求我們開始用細(xì)菌分離物直接測試這些假設(shè)。
“全面的、高分辨率的細(xì)菌分離數(shù)據(jù)庫，為研究我們的生活方式如何影響腸道微生物群、新陳代謝和炎癥的機(jī)制提供了可能”，MIT研究員、作者之一Mathieu Groussin說。
