Engineering：王军与张发明团队通过原位观察揭示人肠道微生物组的重建及动态变化
2021年5月，中科院微生物研究所、南京医科大学附属第二医院、中科院遗传发育所、南京医科大学的相关研究人员在《Engineering》（IF: 6.5）上发表了题为“Reconstruction and Dynamics of the Human Intestinal Microbiome Observed In Situ”的研究论文，为人类肠道微生物组及其内部弹性和昼夜节律以及它们对宿主的潜在后果提供了新颖的见解。
粪便和回盲部微生物组在组成和功能上是不同的。 粪便和回盲部微生物组在渗透性泻药治疗后受到干扰，随着时间的推移，都表现出动态重建。 回盲部细菌种类和功能途径存在昼夜节律。 渗透性泻药治疗后，粪便和尿液样品中代谢物发生动态重建，并与微生物组的动态重建相关联
对人类肠道微生物组的研究揭示了微生物群落在宿主健康和疾病中的关键作用。然而，大多数研究的微生物群来自粪便样本。尽管其提供了胃肠道微生物生态系统的有力表征，但它也限制了胃肠道其它部位微生物动态的研究，此外，粪便样品的不经常可用性妨碍了更精细时间尺度的分析。 人类肠道微生物组的扰动很普遍，并且会影响其组成和功能。渗透性泻药广泛用于治疗便秘，但也可在结肠镜检查之前使用，其可以去除大部分胃肠道微生物组。在临床实践中，健康人的粪便微生物群通常在停止服用渗透性泻药后几天内恢复到以前的生理状态。这样一个重建过程提供了一个机会来检验健康人体肠道微生物组的动态性和健壮性，并量化在强烈扰动后微生物组的变化。 结肠经内镜肠内插管（TET）是一种技术，在内窥镜检查下，通过肛门将一根管子插入盲肠或回肠末端，TET管也允许对肠内液体进行取样，并且可能有助于对渗透性泻药后的粪便微生物组和回盲部原位微生物组进行分析。
本研究召集了五名健康志愿者接受渗透性泻药治疗、结肠镜检查和结肠TET。研究人员每天两次采样回盲部微生物群，然后对这些样本进行宏基因组和宏转录组分析。共收集志愿者43份回盲部和28份和粪便样本。对粪便样本和回盲部样本中的固定（基于DNA）和活性（基于RNA）微生物群落的分析显示了它们的不同特征。五名志愿者的回盲部和粪便微生物群在宏基因组图谱上相似，但它们的活性基因（转录组）却非常不同。
回盲部和粪便微生物组在组成和功能上截然不同
在渗透性泻药治疗后，两种微生物群都受到干扰，在DNA和RNA水平上显示出与治疗前样本相比的细菌组成差异。但随着时间的推移，它们显示出动态恢复或重建，与预处理状态的差异性降低，从而显示出肠道微生物组固有的弹性，尽管它们在研究人员的观察时间窗口内没有完全恢复。微生物组成员之间的相互作用以及宿主的生理因素有助于微生物组在扰动后的恢复，并赋予微生物群落个体化的恢复能力。
暴露于渗透性泻药后粪便和回盲部样本成分和功能的动态重建
以12小时为间隔收集人类回盲部微生物组样本的能力为研究胃肠道微生物组的昼夜节律提供了一个独特的机会。利用每天上午10:00和晚上10:00通过TET管采集的回盲部样本，可以研究DNA和RNA水平上物种组成和代谢途径的动态变化。发现一系列细菌物种（尤其是与短链脂肪酸产生有关的细菌）和功能途径存在昼夜节律，如痤疮丙酸杆菌和辅酶A生物合成II。自相关分析和波动分解进一步表明了昼夜振荡的显着周期性。
回盲部样本中肠道微生物组功能途径和细菌种类的昼夜节律
为了进一步证明肠道菌群的紊乱和恢复对宿主的潜在影响，研究人员从每个志愿者身上采集尿液样本，并与同一采样时间的粪便样本一起进行代谢组学分析。结果发现，在渗透性泻药治疗期间，粪便代谢物也受到干扰，并在停止治疗后与肠道微生物群一起重建，因此，肠道微生物群重建可能会影响宿主的新陈代谢。此外，肠道菌群的扰动也改变了尿液代谢组，并且恢复与菌群重建再次相关。对粪便中表现出减少的代谢物的进一步富集分析表明微生物群衍生代谢物在许多生理和病理条件下的潜在重要性。由于某些代谢物主要取决于肠道微生物组的存在，因此可以认为肠道微生物组的昼夜变化是代谢物本身昼夜变化的基础。
暴露于渗透性泻药后，粪便和尿液样品中代谢物的动态重建。
总之，该研究该研究首次提供了人类回盲部微生物组在组成和功能水平上昼夜模式的直接证据。在多组学水平上对粪便和回盲部微生物组动态变化的研究有助于我们理解肠道微生物生态系统本身，以及理解它可能如何影响宿主生理过程（包括昼夜节律）。
