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深度評論:人類微生物組整合計劃 | 普唯爾生命科技

發稿時間:2019-06-12

來源:集團企劃部

 

人類微生物組(human microbiome)指生活在人體的營互生、共生和致病的所有微生物集合及其遺傳物質的總和。在人類基因組計劃(HGP)完成后,許多科學家認識到解密人類基因組并不能完全掌握人類疾病與健康的關鍵問題,因為人類對與自己共生的巨大數量的微生物群落還幾乎一無所知。人類微生物組研究全面系統地解析了微生物組的結構和功能及生理調控機制,為解決健康問題提供了新思路,而相關微生物技術的創新和融合則進一步加速了從基礎研究到臨床轉化整個鏈條的發展。


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5 月 30 日,美國國立衛生研究院(NIH)人類微生物組計劃(HMP)第二階段——人類微生物組整合計劃(iHMP)研究成果重磅發布,以 Nature 封面、兩篇 Nature 論文和一篇 Nature Medicine 論文的形式,闡述了人類微生物組和宿主之間的相互作用,對懷孕和早產、炎癥性腸病(IBD)以及糖尿病等疾病的影響。


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通過研究普通人群和具有特定疾病的“示范”人群,HMP第一階段側重于描述來自多個身體部位(口腔、鼻腔、生殖道、腸道和皮膚)的微生物群落的特征,并包括一組側重于特定疾病或障礙的示范項目,主要發現之一是微生物組的分類組成通常與宿主的表型沒有很好的相關性,宿主表型往往由可以由微生物的分子功能以及個體的菌落組成更好地預測。隨著研究的深入,越來越多的問題聚焦到:微生物在健康和疾病中扮演了何種角色?人類微生物組整合計劃 (iHMP) 作為HMP第二階段正是為了解答這個問題而開展的。普唯爾生命科技將為您詳細介紹iHMP主要成果及學界評論。


一、Nature:炎癥性腸病腸道微生物群的多組學分析


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在第一篇《自然》論文Multi-omics ofthe gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases中,來自哈佛大學、麻省理工學院等機構的科研人員用一年的時間從132名IBD患者采集了2965份樣本,包括活組織、血液、糞便等。完成縱向多組學分析,是迄今為止IBD中宿主和微生物活動最為全面的論述。


研究發現:IBD患者與未患病個體,其簡單橫向差異在代謝組中最為明顯。每個受試者的微生物多樣性的差異性要顯著大于宏基因組、宏轉錄組和代謝組。IBD患者個體的代謝產物庫多樣性較低,與微生物多樣性變化趨勢較為一致,這可能是IBD患者營養吸收不良,腸內水分和血液含量較高,以及較短的腸內運輸時間導致的。IBD活躍期伴隨著菌群轉錄、代謝物庫(酰基肉堿,膽汁酸和短鏈脂肪酸)及血清抗體的失調,專性厭氧菌減少和兼性厭氧菌過度生長。宿主差異基因可直接影響共生微生物的基因,并富集到IL-17等免疫通路。該結果找到了關鍵的分子,對于尋找防治IBD的新靶點有重要價值。


普唯爾生命科技認為,該團隊系統繪制了IBD患者體內的微生物組學圖譜,并重點描述了微生物菌群功能失調的情況。在先前報道的宏基因組分析的基礎上,利用多組學聯合分析手段,系統地解析了與IBD發生相關的腸道微生物變化,以更準確的預測IBD產生和發展,為臨床治療提供了方向。


Lloyd-PriceJason, Arze Cesar, Ananthakrishnan Ashwin N et al. Multi-omics of the gutmicrobial ecosystem in inflammatory bowel diseases.[J] .Nature, 2019, 569:655-662.


二、Nature Medicine:與懷孕和早產相關的陰道菌群


早產(PTB)可能對新生兒造成嚴重后果,包括死亡和長期殘疾。在美國,大約 10% 的分娩是早產兒,發展中國家的早產發生率更高。環境因素包括女性生殖道的微生物組,是早產的重要原因。


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弗吉尼亞大學聯合西雅圖兒童醫院縱向跟蹤了1572名婦女的整個懷孕生產過程,共采集了包括產婦不同部位(生殖道、口腔、皮膚、直腸和鼻腔)、血液和尿液以及新生兒不同部位(臍帶、口腔、皮膚和直腸)、臍帶血和排泄物(胎糞和首次糞便)中的微生物樣本206437份。對16SrRNA、宏基因組、宏轉錄組及細胞因子譜進行縱向分析。結果顯示:早產產婦的陰道菌群多樣性增加,卷曲乳桿菌的豐度降低,細菌性陰道炎相關細菌1(BVAB1)、TM7-H1等13個分類群的豐度增加;早產相關分類群與陰道分泌物中的促炎細胞因子水平顯著相關。


普唯爾生命科技認為,此研究反映了陰道微生物群、宿主反應和妊娠結局之間的關系,為更好地了解微生物和宿主特征在整個懷孕期間是如何變化的,并影響新生兒新生微生物群的建立提供了依據。


Fettweis Jennifer M, Serrano Myrna G, Brooks J Paul et al. The vaginal microbiome and preterm birth.[J] .Nat.Med., 2019.

 

三、Nature:前驅糖尿病的多組學分析


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2型糖尿病(Type 2 diabetesmellitus, T2D)是一種全球范圍內發病廣泛的慢性代謝疾病,患者特征表現為高血糖、胰島素分泌功能受損以及胰島素抵抗等。前驅糖尿病(中間型高血糖)發展為2型糖尿病的風險較高,約70%的前驅糖尿病患者會罹患糖尿病。


斯坦福大學聯合杰克遜實驗室對106名參與者進行了為期4年每3個月對106位受試者進行健康走訪,采集了受試者健康狀態及生病狀態下血液、糞便和鼻拭子等樣本,利用高通量測序技術對數千種腸道和鼻腔微生物群落及其預測基因進行了分析,通過上述多組學分析得到了包括上百萬分子和微生物檢測指標的龐大數據集。


結果發現:健康狀態下,個體生化和菌群特征相對穩定,但個體間差異明顯,胰島素抵抗(IR)者炎癥水平更高;呼吸道病毒感染(RVI)時,宿主分子通路和腸道及鼻腔菌群發生廣泛變化; 胰島素抵抗者對RVI的應答遲鈍,RVI或增加其糖尿病風險。普唯爾生命科技認為,這項研究為進一步研究健康狀態、前驅糖尿病狀態和T2D狀態的區別與內在聯系提供了一個開源的數據庫。


Zhou Wenyu,Sailani MReza,Contrepois Kévin et al. Longitudinal multi-omics of host-microbe dynamicsin prediabetes.[J] .Nature, 2019, 569: 663-671.

 

四、Nature:iHMP評論



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Nature評論HMP第一階段和iHMP研究認為,iHMP所要破解的內容遠遠多于HMP第一階段iHMP研究對象鎖定三類特殊疾病人群,懷孕和早產群體(孕婦陰道微生物群)、炎癥性腸病患者(腸道微生物群)和II型糖尿病患者(腸道和鼻腔微生物群),以便理解疾病中的微生物-宿主互作。采用多組學方法探索了微生物組和宿主的時間動態變化(主要分析對象包括微生物群落組成、病毒組學、代謝組學特征,以及諸如遺傳、表觀基因組、抗體和細胞因子特征等宿主特異性特征,和其他研究特異性特征)。


這些研究顯示了微生物的紊亂如何與宿主疾病過程相關聯。但大多數研究多過分強調細菌物種與疾病的關系,好像它是一個固定且可被映射的因果關系。在人類微生物組研究中并未考慮一些生態學概念在其中的應用,包括微生物群落如何作為一個整體運作;“關鍵物種”如何通過改變當地條件為其他物種鋪平道路等。普唯爾生命科技認為,要實現基于微生物組的精準醫療,需要更加深入研究宿主-微生物互作中的微生態學——這或將成為未來十年研究的重點。


Integrative HMP (iHMP) Research Network Consortium,The Integrative Human Microbiome Project.[J].Nature, 2019, 569: 641-648.


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來自HMP第一階段和iHMP的所有序列和多組數據、臨床信息和工具以數據庫的形式向全球共享(https://portal.hmpdacc.org/)。

 



微生物組最基本的特征是永遠處于不斷變化中,并很容易對環境和疾病產生響應。普唯爾生命科技總結到,越來越清楚的是人類需要微生物來支持人體的發育和成熟,并激活和維持免疫系統和新陳代謝的穩定性。了解微生物彼此之間復雜且可變的生態進化關系,有助于開拓新型預防及治療糖尿病、癌癥和自身免疫性疾病等疾病的措施。



(如果您對iHMP及學界評價原文更感興趣,可以在后臺留言索取原文)

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