今日Cell：深度解析非洲原始部落，挖掘消失的肠道微生物 | 热心肠日报

今天是第2567期日报。

Cell：超深度测序揭示出原始部落中惊人的肠道微生物多样性

Cell[IF:66.85]

① 对哈扎人、尼泊尔人和加州人的粪便样本（分别为351、56和12份）进行超深度宏基因组测序；② 获得了91,662个细菌、古菌、噬菌体和真核生物的基因组（哈扎人：83,044个），近半数是新发现的；③ 鉴定出63个和124个只存在于工业化和非工业化人群中的物种，二者富集不同的功能基因（如工业化相关物种富含氧化应激相关基因，可能反应了微生物对宿主炎症的适应）；④ 哈扎肠道微生物的复制率变化呈季节性循环，菌株共享模式与其独特的社会结构有关；⑤ 一种螺旋菌的传播模式反映了人类迁徙情况。

Ultra-deep sequencing of Hadza hunter-gatherers recovers vanishing gut microbes
06-21, doi: 10.1016/j.cell.2023.05.046

【主编评语】目前的人类微生物组研究中，大部分数据都来自工业化人群，而对非工业化人群的微生物组所知有限。Cell最新发表了来自斯坦福大学Sonnenburg团队的研究，对351份坦桑尼亚哈扎人（Hadza）的粪便样本进行了难得的超深度测序，获得了迄今最大规模的狩猎采集者肠道微生物组测序数据，极大扩充了对人类肠道微生物组多样性的认知。通过对这些数据进行深入分析，该研究探究了哈扎人的肠道微生物组特征、微生物复制率和人际间的菌株共享规律等方面，并与其他生活方式人群进行了对比，鉴定出与生活方式（工业化vs非工业化）有关的肠道物种及其功能特征和差异。该研究显示了超深度测序在研究人类微生物组方面的潜力，再次强调了伴随工业化进程而大量消失的肠道微生物多样性（哈扎人的平均肠道物种数为730，而加州人只有277），且工业化和非工业化人群中独有的肠道微生物类群在功能上并不冗余，可能反映了微生物对不同生活方式下的肠道环境的适应。该研究的所有数据和分析结果都免费公开，为人类肠道微生物组研究提供了宝贵资源，也为理解共生肠菌的生态学和演化提供了新信息。（@mildbreeze）

刘洋彧等Nature子刊：利用深层宏蛋白质组学揭示肠道菌群蛋白质组功能冗余

Nature Communications[IF:17.694]

① 开发出一种新方法：利用宏蛋白质组学量化人类肠道菌群中蛋白质组水平的功能冗余FR?；② 超深度宏蛋白质组学揭示人类肠道蛋白质组网络具有高蛋白质组水平功能冗余和高嵌套性；③ 蛋白质组网络的嵌套拓扑结构和某些类群蛋白质组之间相对较小的功能距离共同导致人类肠道菌群的高FR?；④ FR?在检测菌群对环境因素的显著反应方面优于多样性指数；⑤ 肠道炎症和特定异生素暴露可显著减少FR?而分类多样性没有显著变化。

Revealing proteome-level functional redundancy in the human gut microbiome using ultra-deep metaproteomics
06-10, doi: 10.1038/s41467-023-39149-2

【主编评语】功能冗余是关键的生态系统属性，表示不同的类群通过冗余功能的表达以相似的方式为生态系统做出贡献。最近宏基因组学数据对人类菌群潜在功能的冗余（或基因组级功能冗余FRg) 进行了量化，然而目前关于人类菌群表达功能的冗余从未被量化。近日，刘洋彧等在Nature Communications上发表文章，利用深层宏蛋白质组学揭示人类肠道菌群蛋白质组水平的功能冗余。（@圆圈儿）

马迎飞团队：详解人肠菌中的宽宿主范围质粒

Nucleic Acids Research[IF:19.16]

① 开发鉴定细菌菌株基因组中质粒样序列（PLSs）（≥2 kb）方法；② 从4983个肠道菌株鉴定出17594个PLSs，产生5372个拟质粒簇（PLCs），其中820个PLCs（comPLCs）具有>60%基因组完整性，155个为已知复制子类型；③ 175个comPLCs在不同菌属中具有宽宿主范围，其中71个在至少两个人群（中国、美国、西班牙和丹麦）被检测，13个在至少一个人群高度流行；④ 两个广泛分布PLCs单倍型分析显示其传播和进化轨迹，表明宽宿主范围质粒在环境中频繁交换。

Global transmission of broad-host-range plasmids derived from the human gut microbiome
06-07, doi: 10.1093/nar/gkad498

【主编评语】人类肠道细菌中的宽宿主范围（BHR）质粒因其具有介导跨系统发育距离水平基因转移（HGT）的能力而备受关注，然而目前关于人类肠道质粒，尤其是BHR质粒尚不清楚。近日，中国科学院深圳先进技术研究院马迎飞团队在Nucleic Acids Research上发表文章，首次鉴定出一系列未知的BHR质粒，并发现BHR质粒能携带适应性基因在全球各种环境中广泛传播，提供了认识肠道生态系统及耐药性基因传播的新见解。（@圆圈儿）

肠道芯片用于研究动物菌群演化 （观点）

Trends in Microbiology[IF:18.23]

① 动物肠道菌群可通过改变饮食生态位、调节菌发育、增加适应能力等影响动物的演化，但直接证据有限；② 肠道芯片模型可模拟天然肠道的生物学特性，包括在上皮屏障中建立简化的微生物群落；③ 肠道芯片模型不仅能研究微生物如何塑造动物演化，而且还可研究反向过程；④ 肠道芯片模型的体外研究应该选择合适的宿主、选择微生物刺激、定义反应指标；⑤ 肠道芯片模型将大大扩展演化特征的广度，并有助于理解动物演化中宿主与菌群互作的相关性。

Unravelling animal–microbiota evolution on a chip
05-20, doi: 10.1016/j.tim.2023.04.010

【主编评语】肠道菌群是否以及如何影响宿主进化是生物学的一个主要问题。虽然很多动物进化过程与肠道菌群改变有关，但是这背后的机制和因果关系并不清楚。本文认为，微流控肠芯片可以研究微生物如何塑造动物演化，也可研究反向过程，为动物进化过程中宿主-菌群互作提供研究模型。（@Bingbing）

Nature子刊：使用合成sRNA可在不同细菌中进行靶向和高通量基因敲除

Nature Communications[IF:17.694]

① 使用枯草芽孢杆菌RoxS骨架和Hfq伴侣构建了适用于宿主合成sRNA平台（BHR-sRNA），在16种细菌中测试，12种细菌中可实现50%以上的抑制效率；② BHR-sRNA可敲除表皮葡萄球菌和肺炎克雷伯菌毒力因子，减轻毒力表型；③ 通过组合敲除靶基因，开发出能够生产戊内酯和甲苯甲酯的高效谷氨酸棒状杆菌菌株；④ 使用合成sRNA文库对靛蓝生产株进行比色筛选，鉴别出5个敲低后对其生产最有效的基因，通过起始密码子替换抑制基因表达，可显著提高靛蓝产量。

Targeted and high-throughput gene knockdown in diverse bacteria using synthetic sRNAs
04-24, doi: 10.1038/s41467-023-38119-y

【主编评语】目前，sRNA因其可实现在翻译水平上敲低目的基因表达而备受关注。然而有限的适用菌种范围限制了其应用。近日，韩国研究人员在Nature Communications发表最新研究，使用枯草芽孢杆菌的RoxS的骨架和Hfq分子伴侣构建了适用于广泛宿主的sRNA平台，该系统可在多种菌种同时敲低多个基因，证明了其适用性的广泛和高效。总之，该研究表明BHR-sRNA平台是一个有效、快速、准确的合成生物学和代谢工程工具，值得关注。（@九卿臣）

体外追踪肠道益生菌的新方法--近红外IIb荧光成像

ACS Applied Materials & Interfaces[IF:10.383]

① 提出一种新的微生物研究观察工具，通过EDC-NHS化学方法将近红外IIb（NIR-IIb，1500-1700nm）镧系纳米材料NaGdF4：Yb3+，Er3+@Nd3+（Er@NdNPs）标记到保加利亚乳杆菌表面；② Nd3+壳层通过包裹NaGdF4实现808nm激发−1525nm发射；③ Er@Nd NPs同时发射可见光和近红外IIb波长像；④ Er@Nd NPs纳米颗粒具有生物相容性，其信号集中在肠道中，在肝脏、肾脏或其他器官中无明显积累；⑤ PAA修饰的Er@Nd NP和保加利亚乳杆菌之间表现出更高标记稳定性。

Tracking of Intestinal Probiotics In Vivo by NIR-IIb Fluorescence Imaging
04-20, doi: 10.1021/acsami.2c20610

【主编评语】精准定性微生物在小肠的分析有助于理解其内在机制。在小肠内，传统光学探针的成像渗透深度低且成像效果差。本文提出利用标记NIR-IIb（1500-1700nm）镧系元素纳米材料进行微生物标注，并采用双光子发射显微镜和NIR-IIb体内成像，可以更好地构象菌群在小肠道的空间分布。（@Bingbing）

体外发酵探究金属纳米颗粒对发酵过程的影响

Journal of Hazardous Materials[IF:14.224]

① 水样中分别添加两种不同浓度的氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)和银(Ag)纳米颗粒，进行体外胃肠道消化和大肠发酵；② 低浓度Ag和ZnO导致肽和游离氨基酸上调，可能参与吲哚衍生物、多肽和蛋白质代谢相关代谢物的调节，与炎症性肠病相关；③ TiO2能提高大肠杆菌的相对丰度，降低长芽孢杆菌的丰度，使前列腺素E2和白三烯B4等花生四烯酸代谢物的促炎脂质介质富集；④ 低浓度的Ag和ZnO促进分化谱，说明金属纳米颗粒聚集可限制对活细胞的不利影响。

The impact of metallic nanoparticles on gut fermentation processes: An integrated metabolomics and metagenomics approach following an in vitro digestion and fecal fermentation model
03-30, doi: 10.1016/j.jhazmat.2023.131331

【主编评语】这是发表在Journal of Hazardous Materials上的一份工作，作者主要将氧化锌(ZnO)、二氧化钛(TiO2)和银(Ag)纳米颗粒以高剂量和低剂量分别添加到体外发酵液中，通过16S扩增子和代谢组学来探索金属纳米颗粒带来的扰动。他们发现低剂量的Ag和ZnO似乎参与吲哚衍生物、多肽和蛋白质代谢调节，同时会促进细胞分化。而TiO2会导致大肠杆菌风度则更加以及一些促炎因子的富集，可能与炎症性肠病相关。（@Johnson）

新策略解码口腔菌群的宿主-微生物互作

PNAS[IF:12.779]

① 开发将重组蛋白与荧光或生物素报告功能结合的微生物聚糖分析探针（mGAP）策略；② ZG16B主要与一组有限口腔微生物结合，包括轻度链球菌、溶血性双球菌，最显著是前庭链球菌；③ ZG16B通过附着在肽聚糖上的细胞壁多糖与前庭链球菌结合，表明该蛋白是凝集素；④ ZG16B在无细胞毒性的情况下减缓前庭链球菌生长，ZG16B与唾液粘蛋白MUC7相互作用；⑤ 用ZG16B对前庭链球菌和MUC7进行超分辨率显微镜分析，显示三元复合物的形成，其可促进微生物聚集。

Human oral lectin ZG16B acts as a cell wall polysaccharide probe to decode host–microbe interactions with oral commensals
05-22, doi: 10.1073/pnas.2216304120

【主编评语】人类唾液腺中一个高度表达的基因，编码凝集素酶原颗粒蛋白16同源物B（ZG16B）。虽然这种蛋白质含量丰富，但其在口腔微生物组中的相互作用伙伴尚不清楚。ZG16B具有凝集素折叠，但它是否与碳水化合物结合尚不清楚。PNAS近期发表的文章，将ZG16B与微生物聚糖分析探针（mGAP）结合，探究ZG16B的相互作用。结果发现，ZG16B通过捕获共生微生物并利用粘蛋白辅助清除机制调节其生长，从而影响口腔微生物组的组成平衡。（@章台柳）

抗生素耐药基因数据库再更新—ResFinderFG v2.0

Nucleic Acids Research[IF:19.16]

① ResFinderFG v2.0基于功能宏基因组学从50个数据集中鉴定出3913个抗生素抗性基因（ARG），相比上一个版本，共识别到1631个新ARG；② 相比其他数据库，ResFinderFG v2.0在全球微生物基因目录的三个子目录（肠道、土壤、水）中可确定等量或更多的ARG，且特异性命中率最高；③ ResFinderFG v2.0还可检测到其他数据库中未检测到的ARG，其中包括赋予β-内酰胺类药物、四环素、苯酚、糖肽/环丝氨酸和三甲氧苄啶/磺胺的抗性ARG。

ResFinderFG v2.0: a database of antibiotic resistance genes obtained by functional metagenomics
05-19, doi: 10.1093/nar/gkad384

【主编评语】宏基因组学可用于监测抗生素耐药基因（ARGs）的传播，2016年，ResFinderFG v1.0数据库被开发用于识别多种类型样本的ARGs。近日，巴黎城市大学研究人员及团队在Nucleic Acids Research发表最新研究，开发出ResFinderFG v2.0（https://cge.food.dtu.dk/services/ResFinderFG/），从50个数据集中共鉴定出3913个ARGs。此外，ResFinderFG v2.0的特异性较好，能检测到较多的未被识别的ARGs，值得关注。（@九卿臣）

扬州大学：长读长宏基因组测序助力解析蛋鸡粪便中高流行耐药基因

Science of the Total Environment[IF:10.753]

① 纳入4个大型蛋鸡养殖场20份粪便样本，进行长读长宏基因组测序，分析菌群和抗生素抗性基因特征（ARGs）；② 不同日龄蛋鸡粪便中均含多样的ARGs，其ARGs组成与菌群组成高度相关，且染色体ARGs分布模式比质粒介导的ARGs与菌群更相关；③ 变形菌门ARGs通常由质粒携带，而厚壁菌门为染色体；④ 不同ARGs共选择普遍存在，其中高活性插入序列可能导致ARGs严重流行；⑤ floR和tet(L)等小高拷贝质粒在多种ARGs传播中有重要作用，可能会扰乱粪便ARG组成。

Long-read metagenomic sequencing reveals that high-copy small plasmids shape the highly prevalent antibiotic resistance genes in animal fecal microbiome
06-02, doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.164585

【主编评语】动物源抗生素耐药基因（ARGs）的出现和流行已经对全球公共卫生构成了巨大威胁。随着测序技术和生物信息学的快速发展，长读长宏基因组测序越来越多地被用于破译环境中耐药基因的命运。近日，扬州大学王志强、李瑞超及团队在Science of the Total Environment发表最新研究，小质粒可能是一些耐药基因在粪便微生物群落中高流行的原因。纳入4个大型蛋鸡养殖场20份粪便样本进行长读长宏基因组测序，小质粒可能是一些耐药基因在粪便微生物群落中高流行的原因。在部分蛋鸡粪便样本中检测到一种携带floR的IncQ型质粒和一种携带tet(L)的小质粒，这两个小质粒在粪便微生物中可形成串联重复结构，增强耐药基因的富集，值得关注。（@九卿臣）

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，圆圈儿，accepted，Jack Chen，Sunflower，阿当