Science杂志“微生物组获奖”研究介绍丨微生物组——驻留体内的小小宇宙

撰文、编译 | 咸姐、蒋刘一琦

责编 | 酶美

Grand Prize winner receives:Each Grand Prize winner will be awarded a cash prize in the amount of US$25,000 and travel and accommodation for the prize ceremony.

The Grand Prize winner will also receive a free five (5) year digital subscription to Science, and will have their winning essay published in Science (print and online).

微生物对抗神经退行性病变——在肌萎缩侧索硬化症中建立微生物组与代谢物之间的新联系

获奖者：Eran Blacher

在以色列特拉维夫大学获得本科学位和博士学位，并在魏茨曼科学研究所进行博士后研究，研究了微生物组-肠-脑轴在神经退行性疾病中的作用。目前是斯坦福医学院的高级博士后研究员，研究衰老和神经系统疾病中的免疫系统-肠-脑轴。

全世界有数百万人患有神经系统疾病，如阿尔茨海默病（AD）、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症（ALS）。通过对运动能力、沟通能力、思维能力和记忆力的逐渐破坏，这些毁灭性的疾病剥夺了患者的自理和自立能力，并为家人和护理人员带来巨大的负担和痛苦。然而目前人们对神经退行性变的确切原因知之甚少，而且只有10%的ALS和5%的AD是家族遗传性的，那么我们不得不自问：环境因素如营养、共生细菌及其代谢物等是否在神经疾病中起作用呢？过去十年见证了大脑研究范式的转变——从教条式的以大脑为中心的方法向整体的健康概念的转变，该概念整合了人体的关键信号枢纽（如肠道及其微生物群、外周免疫系统和其他粘膜屏障表面），越来越被认为是了解和治疗神经退行性疾病的必要条件。

Eran Blacher及其团队的研究在小鼠ALS模型和人类ALS患者中发现，肠道微生物可能分泌对ALS的进展有意想不到的调节功能的小分子代谢物。

通过广谱抗生素清除Sod1转基因 （Sod1-Tg） 小鼠的微生物群可以导致小鼠ALS症状严重恶化。研究发现与野生型对照小鼠相比，Sod1-Tg小鼠在临床运动症状出现之前便产生了由生态依赖性失调和微生物组驱动的全身代谢物结构改变。进一步地，该研究证明在Sod1-Tg小鼠的微生物组中，编码烟酰胺及其前体色氨酸生物合成酶的几个关键细菌基因减少。通过对整个疾病进展过程进行全面的宏基因组评估，该研究确定了11种与ALS疾病严重程度相关的不同微生物菌株。通过一种“益生菌”的方法将这些菌株给予抗生素预处理的Sod1-Tg小鼠，研究人员发现嗜粘蛋白-艾克曼菌 （A.muciniphila） 可以改善小鼠的ALS症状，而扭链瘤胃球菌 （Ruminococcus torques） 和狄氏副拟杆菌 （Parabacteroides distasonis） 则加重了小鼠的ALS症状。利用代谢组学方法分析发现，补充A.muciniphila菌能显著增加神经系统中的烟酰胺浓度。而直接给予烟酰胺也能显著改善Sod1-Tg小鼠的运动能力和脊髓基因表达模式 （下图） 。由此提示烟酰胺是ALS治疗的潜在药物。同样的，对ALS患者和共享相同家庭环境的健康家庭成员的肠道菌群进行宏基因组测序，结果显示ALS患者的微生物群组成和功能有显著差异，而且ALS患者血清和脑脊液中烟酰胺浓度显著降低。

总的来说，利用快速发展的微生物组测序、培养和计算技术，该研究发现了小鼠ALS发病机制中的一条新的代谢途径，该途径受肠道菌群的组成和功能的高度影响，而微生物代谢产物的破坏也可能导致神经退行性变。此外，该研究也为利用微生物组学分析识别疾病修饰代谢物指明了方向。未来，正如Eran Blacher自己所述，利用分子网络实现质谱信息学的进一步研究有可能揭示微生物组相关表型背后的机制，为合理地通过基因工程制造可移植的代谢组铺平道路，有望延缓甚至防止有害的衰老相关疾病的发生。

微生物对抗癌症——肠道菌群移植促进免疫治疗难治性黑色素瘤的应答

候选获奖：Erez Baruch

在以色列特拉维夫大学获得本科、医学博士和博士学位。在完成研究生学业以后，开始了在内科肿瘤学研究方向的内科住院医师之旅（内科医生-科学家），内科培训在德克萨斯州休斯顿的麦戈文医学院进行。获奖研究工作在MD安德森癌症中心基因组医学系Jennifer Wargo博士的实验室进行，重点研究免疫治疗耐药性和毒性的机制、肠道微生物群的调节以及先天免疫细胞和适应性免疫细胞之间的相互作用。

靶向程序性死亡受体1（PD-1）通路的免疫检查点阻断疗法已经彻底改变了黑色素瘤和许多其他癌症患者的治疗。在抗PD-1治疗的时代，黑色素瘤中转移性患者的中位数总生存率翻了一番，转移性疾病的治愈前景可观。然而目前大多数转移性患者在治疗后仍经历着疾病的进展。今天，世界范围内的大量努力都集中在了解抗PD-1治疗的耐药性上，以期开发新的治疗方法来克服之。而来自临床前模型的新数据已经证明了肠道微生物对免疫治疗反应的影响。

Erez Baruch及其团队为了更好地理解抗PD-1治疗的耐药机制，对治疗反应良好和不良的黑色素瘤患者进行了研究。在治疗前对这些活检肿瘤样本进行蛋白质组学分析发现，抗PD-1治疗应答者和无应答者的肿瘤在两个主要功能上显示出显著差异——代谢和抗原递呈，前者肿瘤表现出氧化磷酸化和脂质代谢通路的上调，以及抗原递呈机制通路的增强。随后，该研究对患者粪便样本进行16S核糖体RNA（rRNA）基因测序，并比较抗PD-1治疗应答者和无应答者的肠道菌群的组成，结果显示应答者的肠道菌群中瘤胃球菌（Ruminococcus）和普雷沃氏菌（Prevotellaceae）的相对丰度较高，而无应答者的β-变形菌（Betaproteobacteria）相对丰度较高。

接着，研究人员设计了一项首次在人体内进行的粪便菌群移植（FMT）1期临床试验，旨在评估FMT在抗PD-1治疗耐药的转移性黑色素瘤患者中的安全性和潜在免疫效果。以两名在抗PD-1治疗后肿瘤完全消退的黑色素瘤患者作为FMT捐赠者。FMT受试者首先通过口服抗生素消除自身原始肠道菌群，然后通过结肠镜检查和口服给药粪便胶囊进行FMT，然后再重新引入抗PD-1治疗。研究结果显示，在接受治疗的10名患者中，有3名患者对抗PD-1治疗有临床反应，其中一名患者肿瘤完全消退，由此提示FMT对受试者肠道菌群和免疫活性产生了深刻影响。16S rRNA基因和宏基因组测序发现受试者的肠道菌群组成与其供体相似，同时，FMT治疗也与受试者肠道和肿瘤中抗原呈递细胞活性增加有关，与肿瘤中CD8+ T细胞活性的增加——产生抗肿瘤反应的关键步骤——也密切相关。

Erez Baruch表示他将继续努力揭示微生物群对抗癌免疫的作用机制，他们正致力于利用不同的调节策略（如FMT、饮食干预）来了解癌症中宿主-微生物群的相互作用，以开发新的治疗方法，使转移性患者能够利用微生物群调节的优势来对抗癌症。

量化宿主-微生物组间的交互作用

候选获奖：Maria Zimmermann- Kogadeeva

Maria Zimmermann- Kogadeeva本科毕业于俄罗斯莫斯科罗蒙诺索夫国立大学，后于瑞士苏黎世联邦理工学院获得博士学位。博士毕业后，Maria在耶鲁大学Goodman教授的实验室和欧洲分子生物学实验室（EMBL）的Bork实验室完成了博士后工作，并将于2021年在海德堡EMBL的基因组生物学部门启动她的实验室。Maria通过结合计算建模和多组学数据，来研究（1）微生物如何适应其周围环境，（2）单一细菌的代谢适应如何塑造微生物群落的功能结果，以及（3）微生物与宿主和环境间的相互作用。

人体微生物组是一个生活在我们体内外的复杂微生物群落。这些微生物会对宿主健康产生巨大的影响，包括影响消化【1】、免疫系统【2】、行为【3】、代谢性疾病【4】以及药物反应【5-7】。实验和计算方法的快速发展大大促进了人类微生物组领域的发展，让我们从简单地鉴定微生物组的组成和其与宿主健康之间的关联，转变为揭示其背后的分子机制【8-10】。然而，微生物组对宿主健康的贡献度究竟有多大，依然是一个非常难以回答的问题。

Zimmermann- Kogadeeva专注于探究微生物组对宿主新陈代谢的影响，包括微生物组的贡献程度以及背后的机制。为了探究这一问题，她利用自己在应用数学和系统生物学方面所获得的知识，构建计算机模型，以描述宿主-微生物间的相互作用。然而，好的模型需要来自于高质量实验的优质数据——这在复杂的宿主-微生物系统中是一个具有挑战性的命题。因此，Zimmermann- Kogadeeva加入了耶鲁大学Goodman教授的实验室做博士后，因为在这里她可以收集到想要的高质量数据。

利用细菌遗传学和限菌小鼠模型，Zimmermann- Kogadeeva学会了如何“修改”无菌小鼠的微生物组。在Goodman的实验室，利用这些小鼠，来研究微生物组在不同药物代谢过程中发挥的作用。研究发现，这一系统也很适合用于量化宿主和微生物组在体内的相互作用，因为使用的化合物可以以一种可控的方式引入该系统。

Zimmermann- Kogadeeva首先关注的是一种名为溴夫定（brivudine）的药物。这是一种可以被宿主或其微生物组转化为具有潜在毒性代谢物——溴酰尿嘧啶（BVU）的抗病毒化合物【11】。为了鉴定出能够将溴夫定转化为BVU的细菌，她们将该药物与不同的细菌一一进行了体外培养。结果发现，最强大的溴夫定代谢者之一是多形拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron），这是一种常见的肠道细菌，具有现成的基因敲除文库。通过将文库中的不同细菌突变体与药物一起孵育，实验发现其中一个细菌突变体失去了将溴夫定转化为BVU的能力。随后，将野生型和这一突变型的多形拟杆菌定植到无菌小鼠体内，以提供一个可控的宿主-微生物组系统。这两组小鼠除了所移植的细菌的基因有所差异，其余均相同。

然而，当给这两组小鼠给予溴夫定时，观察到的结果却令人有些困惑。尽管定植了突变型细菌的小鼠肠道内的药物水平要高得多，但是两组小鼠血清中的药物水平却没有明显差异。而药物的代谢物水平则表现出了相反的模式：肠道中没有差异（而且水平非常低），但是野生型细菌定植的小鼠血清中的代谢物水平却很高（见图）。肠道中的细菌对药物的转化和代谢产物快速被吸收到血清中可能可以解释上述结果。为了验证这一假设，Zimmermann- Kogadeeva首先使用了一个简单的动力学模型，该模型包含2个方程，分别用于描述宿主肝脏对药物的代谢和肠道中细菌对药物的代谢。该方程的解表明，两组小鼠血清中代谢物水平的差异是由肠道微生物产生的BVU数量不同造成的。这一可控的实验系统让我们能够量化细菌对体内毒性药物代谢物的贡献——大约为70%【12】（见图）。

图. 量化宿主和微生物对药物代谢贡献的实验和计算方法：通过口服的方式，给仅微生物药物代谢酶具有差异的限菌小鼠（GN^MUT，突变型和GN^WT，野生型）喂药；对不同组织内的药物及药物代谢物的动力学进行量化。通过测量上述数据建立微生物组-宿主药代动力学模型，该模型可准确预测血清代谢物的暴露情况，并揭示宿主和微生物组对药物代谢的贡献。

接着，她们扩展了这一模型，以描述该药物在8种组织和肝肠循环（即在肝脏代谢的药物通过胆汁排入到小肠）中的代谢过程。通过使用无菌小鼠和拥有复杂微生物群落的小鼠的数据，她们证明了我们的方法可以进一步被推广，用于估计细菌对药物代谢的贡献，即使这些药物的代谢产物是未知的。分析发现，对sorivudine和氯硝西泮（clonazepam）而言，微生物对药物代谢的贡献远超过宿主。Sorivudine是一种宿主和微生物具有不同代谢率的抗病毒药物，而氯硝西泮是一种会被转化为多种代谢物的抗焦虑和抗惊悸药物【12】。

量化代谢宿主-微生物组之间的相互作用并不是这一模型唯一的目的。拥有一个可靠的宿主-微生物组互作模型，能够研究、解释和预测系统在不同条件下的反应。通过分析不同模型参数下药物和代谢物谱的变化，她们发现无菌小鼠和拥有菌群的小鼠的药物血清谱的相似之处可以用肠道对药物快速且非微生物依赖性的吸收来解释。此外，这个模型进一步表明，即使是快速吸收的药物，在某些条件下（微生物组对药物的代谢贡献远大于宿主或药物及其代谢物具有广泛的肝肠循环），微生物组对宿主代谢的贡献可能是巨大的【13】。这些数学模型使科学家能够模拟研究宿主-微生物组间的相互作用，指导实验设计，以及帮助减少确认模型预测所需的实验数量。为了系统地研究微生物代谢药物的能力，接下来她们进行了高通量的体外筛选。分析发现微生物组对药物代谢的广度甚至比预期的更广泛。在她们检测的以人体为靶标的药物中，有三分之二（271种中的176种）的药物至少可以被76种测试细菌中的1种代谢【14】。

虽然仍需要后续的研究来测试这些微生物-药物在体内的相互作用，但是研究成果强调了，在开发新药、对患者进行分型和选择最有效的治疗策略时，应该考虑微生物组。在未来，相信计算模型结合定量实验数据将使我们能够量化药物代谢之外的宿主-微生物组间的相互作用，以帮助我们更好地理解、预测和控制微生物组在日常生活中对人体健康的影响。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abi9353

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abi9360

https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abi9357

制版人：十一

参考文献

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5. P.Spanogiannopoulos,E.N.Bess,R.N.Carmody,P.J. Turnbaugh, Nat. Rev. Microbiol. 14, 273 (2016).

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13. M. Zimmermann-Kogadeeva, M. Zimmermann, A. L. Goodman, Gut Microbes 11, 587 (2020).

14. M.Zimmermann,M.Zimmermann-Kogadeeva,R. Wegmann, A. L. Goodman, Nature 570, 462 (2019).

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