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Metagenomics

论文速览: Cell Host Microbe

  • 概述，建议阅读
    • 代谢网络的模拟得知一些普遍特征（e.g.合作关系即不稳定的正反馈，因此此类网络少见），但精确的模拟还是得依赖实验
    • 微生物组可以展现其所处微环境的独特特征（尤其是基于其核心的代谢特征，e.g.肠道各部分的菌群也是消化系统的一部分）
    • 代谢生态学：某部分营养物质的限制制约群落的生长与竞争，但人类消化吸收迅速，不确定哪部分被留给了微生物？
    • 代偿：压力环境中会有多样的代谢方式作为替代
    • 共存：代谢相似性 + 营养竞争

论文速览: Nature Portfolio

2024

Microbial Forensics

微生物法医学致力于分析来自生物恐怖主义行为、生物犯罪或无意中释放的微生物/毒素的证据，以归因为目的：识别生物威胁剂的来源，并将生物威胁行为归因于特定的人或群体。

我觉得：个人识别不太可能，但至少反应了某种生活习惯，为侧写提供帮助（是否养宠物、爱干净、生理因素 等）--- 但只能获得受害者的样本，普通的调查应该也能获得这些信息？？如果是针对嫌疑人，这些作为起诉证据又不完全靠谱；或者说应该多点采样查看是否有突兀的分布点，以此从环境中分离潜在的外源宏基因组，然后推断有具有某种特征的客人来过？（不太可能实现吧。。。除非有十分特异的marker）

2025.7 update: 参考 mGPS 的介绍，场景中的微生物可以帮助确定嫌疑人的近期活动范围（溯源地理信息），可作为人类 DNA 的补充证据

  • 地理定位

    • 土壤类型和地理位置都是决定微生物群落组成的重要因素，已支持正确地将95.4%土壤细菌图谱分类到它们的地理位置
    • 16S 测序也可用于溯源鞋底获得的土壤、区分混合物中样品不同的土壤
    • 问题：微生物组在空间和时间上都表现出高度的物理、化学和生物多样性，例如受季节影响严重
    • 联想：可以通过微生物组成推断一下水分、温度之类的？

  • 个人识别

    • 口腔、衣物等提取的宏基因组/16S 可以区分个体，但是研究样本太小(<50)，存疑
    • 问题：扰动太大，在大样本中不太可能实现

  • 生物性别确定

    • 男性的房间显示出更高的微生物群相对丰度，能是因为男性可能会脱落更多的生物颗粒，或者使用较少的化妆品屏障
    • 问题：需要进一步进行更大样本量的验证研究

  • 死亡方式和原因

    • 溺水：检测与水生环境相关的细菌种类，还可以定位海洋或者河流？
    • 药物、疾病相关死亡：药物、代谢影响微生物组成？例如CRP升高代表炎症
    • 联想：应该会有动物实验进行个体经历的追踪测序？例如是不是第一现场会造成什么影响

  • 死亡时间PMI估算

    • 也许可以增强现有预测模型
    • 问题：仅有动物实验数据

菌群 - 免疫发育

菌群 - 精准营养干预

Foodseq数据库，实现对食物种类的鉴定（基于粪便中食物的eDNA）

那菌群的模式是不是也可以用来推断营养组成？？

菌群 - 更年期 Menopause

双向关联，卵巢健康需要菌群（无菌小鼠繁育力不佳）、而人体代谢影响菌群组成

肠道和口腔微生物群对更年期的影响 ---综述

- 肠道菌群回收雌激素：β-葡萄糖醛酸酶，雌激素量少（绝经后）时可发现关联
- 与绝经前女性相比，绝经后女性的肠道菌群更接近男性
- 更年期激素治疗（MHT）是治疗长期雌激素缺乏的一种选择。
    --- 雌激素治疗可以逆转卵巢切除引起的肠道菌群变化/体重和空间工作记忆（Zeibich 等人，2021）
    --- 肠道菌群的显著变化与抑郁症状相关，而在小鼠模型中可通过雌激素治疗缓解（Sovijit 等人，2021）
- 多菌种益生菌干预会改变肥胖绝经后女性的肠道菌群功能，但不会改变其多样性、或指向特定分类组成（‘丰度变化不依赖于治疗类型’ ）（Kaczmarczyk 等 ，2022）
    --- FBA?/寻找能够代谢雌激素或雌激素样化合物的细菌？
- 一些研究已探索了心理健康与饮食之间的关系 
    --- 摄入益生菌酸奶、含有大豆异黄酮的营养补充剂

目前没有已发表的研究关注 绝经过渡期间口腔和肠道微生物群的纵向个体趋势 ，并帮助研究人员检验微生物组成变化是否在绝经过渡期间加速

无菌小鼠繁育力不佳（在发育阶段表现出了更高的卵泡激活率，卵泡发育受阻，闭锁增加），feed代谢物看看可否提高繁育力？直接在P12给小鼠补充SCFA也能够改善无菌小鼠的卵巢功能障碍、或改善由高脂肪饮食造成的卵巢功能障

肠源的SCFA如何维持女性生殖健康？ 肠道完整性，宿主代谢 -> HPG 轴

HPG轴/生殖健康的内分泌（似乎与代谢调控激素密切相关）：下丘脑(GnRH)-垂体(FSH/LH)-性腺(雌激素/睾酮/孕酮)

短链脂肪酸（SCFAs）是肠道微生物通过发酵不可消化多糖产生的肠道代谢物，<6 碳原子
根据食物、类型和微生物组多样性，肠道每天产生 500–600 mmol 的 SCFAs
虽然部分 SCFAs 可以直接通过上皮屏障，但大多数需要专用转运蛋白


SCFA结合FAR受体后进入细胞并抑制HDAC/结合GPR受体
    - 肠道内L细胞：分泌PYY和GLP-1
        --- PYY 调节饱腹感，辅助胰岛素
        --- GLP-1 调节血糖水平，胰岛素分泌↑、胰高血糖素↓
    - 脂肪组织：分泌 Leptin
        --- 瘦素作用于下丘脑中 GABA 、POMC 神经元，促进血糖的吸收 / 直接刺激肝糖原的合成
        --- SCFA 通过瘦素介导的途径调节HPG轴？？
    - 抑制促炎介质的合成(IL-6/TNF-α)，增加抗炎介质的产生(IL-10/TGF-β/...) 
    - 增强肌肉、肝中的AMPK活性，调节胆固醇、脂质和葡萄糖代谢


e.g.SCFA水平在孕期升高，可能有益于
    - 代谢调节（避免肥胖/胎儿生长）、增强胰岛素敏感性——降低血糖（避免妊娠糖尿病）
    - 磷脂代谢和卵巢孕酮合成（避免流产）
    - 降低血压（避免子痫前期、肺栓塞）
    - 减少炎症（抗炎介质 & 肠道完整性）


e.g.子宫内膜异位症：受雌激素刺激，长期过量生长和出血、形成粘连和瘢痕，且致病菌/乳酸杆菌的平衡被打破 --- 抗生素+益生菌治疗 / 诊断或预后指标

e.g.SCFA与癌症免疫疗法协同工作，减少炎症细胞因子、激活 Tregs
    - 会影响组蛋白-去乙酰化酶、细胞粘附、细胞因子生成、趋化性、免疫细胞招募、细胞凋亡（即：代谢通路、宿主免疫反应和炎症）

e.g.多囊卵巢综合征中SCFA水平发生变化，缓解方法：富集产丁酸微生物、补充醋酸酯（通过抑制HDAC，正常发育卵泡、增加循环中的雌二醇）

更年期的微生物补剂的起效途径：豆类饮食补充植物雌激素、从肠道回收雌激素、SCFA、乳酸杆菌-->生殖道

（综述：植物雌激素-微生物群）

  • MHT治疗是一个长期的过程（更年期可能持续7-11年）、不能突然停药（需要逐步减少剂量），肠道微生物或许会是一个长期的雌激素供养源（口服）/Long-term impact
    • 但是！目前治疗建议局部激素敷药，口服因为经肝脏可能会导致血栓风险 --- 不过，微生物还可以提供SCFA等其它代谢物间接改善身体状况
    • 研究显示人体雌激素减少似乎影响functional分布而不是taxa？补充菌群可能会无功而返？
    • 可能还要先评估饮食、原有菌群、日常扰动的影响？（需理解菌群入侵的动力学）--- 从微生物profile/robustness评估宿主身体状况（暗示了饮食习惯的影响） --- 为什么不直接用宿主血清代谢评估？

其它：菌群 - 衰老认知 Aging Cognition

肠道微生物组：预测晚年的认知功能和抑郁症状

微生物入侵/定植动力