■本報記者 韓揚眉

百年前，社交網(wǎng)諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獲得者梅契尼科夫曾指出：腸道健康的挖掘網(wǎng)人身體才健康。然而，菌群揪出疾病復雜的黑手腸道菌群究竟如何影響人體的疾病與健康？

近年來，關于腸道菌群與人體健康和疾病關系的新聞研究越發(fā)豐富，尤其是科學隨著測序技術、基因組研究等的社交網(wǎng)發(fā)展，大量研究為該領域積累了海量的挖掘網(wǎng)生物數(shù)據(jù)信息。如何從海量零散的菌群揪出疾病數(shù)據(jù)中，挖掘出與人類健康和疾病緊密相關的黑手信息，成為腸道菌群領域關注的新聞首要問題。

5月23日，科學《自然—計算科學》在線刊發(fā)了中國科學院北京生命科學研究院研究員趙方慶團隊的社交網(wǎng)最新研究成果。該研究首次提出基于微生物互作網(wǎng)絡的挖掘網(wǎng)新算法NetMoss，實現(xiàn)高效整合大規(guī)模菌群數(shù)據(jù)以及精準識別疾病標記物。菌群揪出疾病

“難測”的腸道菌群

腸道菌群是一個龐大家族，根據(jù)科學家目前掌握的數(shù)據(jù)，腸道菌群包含500至1000種不同的細菌，基因總數(shù)是人類的100多倍。

它們構成復雜，“成長環(huán)境”千差萬別。“腸道菌群的種類、豐度，以及基因表達陣列各有不同，且它們更容易受飲食、地域等各種因素的影響，因此，不同人群之間腸道菌群組成可能存在很大差異。”論文第一作者、中國科學院北京生命科學研究院博士生肖力文告訴《中國科學報》。

腸道菌群的“喜怒哀樂”可能影響著人體的方方面面。已有研究表明，腸道生態(tài)系統(tǒng)不僅通過菌群交互直接影響著呼吸道、生殖道等，還通過免疫因子、代謝物和神經(jīng)遞質(zhì)間接影響著人體健康。

為了摸清腸道菌群的影響和作用，科學家試圖找到它們與體內(nèi)其他器官的某些關聯(lián)，比如腸—腦軸、腸—肝軸和腸—腎軸等，由此發(fā)現(xiàn)了一些與疾病發(fā)生密切相關的微生物標記物。

“微生物標記物是一種標記特定疾病的關鍵微生物，它們在健康人群與患病人群中的‘表現(xiàn)’有一定差異，使用穩(wěn)定的微生物標記物可以更好地實現(xiàn)特定疾病的預防和治療。”肖力文說。

不過，目前基于菌群豐度整合數(shù)據(jù)并進行生物標記物挖掘的方法存在偏差，此外，微生物豐度矩陣過于稀疏，常規(guī)計算方法也很難基于稀疏矩陣對不同批次的豐度進行校正。

更值得關注的是，就微生物標記物的種類和作用而言，不同研究得出的結論差異很大。因此，如何從來自不同人體的大數(shù)據(jù)中挖掘并解讀復雜菌群的內(nèi)在規(guī)律，仍是當前面臨的一大挑戰(zhàn)。

從互作中尋找規(guī)律

為解決上述問題，研究團隊開發(fā)了一種高效的數(shù)據(jù)整合和生物標記物挖掘計算模型。

該模型最特別之處在于，其不是基于微生物豐度，而是基于生態(tài)互作網(wǎng)絡實現(xiàn)的。

肖力文介紹，之所以考慮微生物生態(tài)互作，是因為腸道中的微生物并不是獨立存在發(fā)揮作用的，它們往往需要彼此協(xié)同合作，共同完成某一生命活動。通過構建微生物互作網(wǎng)絡，可以很好地保留每一個子數(shù)據(jù)集最原始的生物互作信息，通過進一步整合，人們就可以基于更龐大的數(shù)據(jù)進行生物標記物的挖掘。

研究團隊收集整理了11377例包括疾病與健康對照的腸道菌群測序樣本，覆蓋78項研究、37種疾病、13個國家或地區(qū)。針對這些來自不同人群的多種數(shù)據(jù)集，他們提出基于互作網(wǎng)絡的新算法NetMoss，開發(fā)了一種高效的數(shù)據(jù)整合和生物標記物挖掘計算模型進行數(shù)據(jù)分析。

研究發(fā)現(xiàn)，NetMoss基于龐大的微生物互作網(wǎng)絡，其對于不同健康狀態(tài)下環(huán)境對人體的擾動更加敏感，可以挖掘出一些豐度尚未發(fā)生顯著改變，但在生態(tài)互作網(wǎng)絡中已被擾動的重要微生物類群。此外，其對疾病標記物的識別效率高于其他方法。

“將這一方法應用到包含多種疾病的網(wǎng)絡分析中，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，大部分疾病標記物并不只導致一種疾病的發(fā)生，而是與多種疾病存在顯著關聯(lián)，這些相似的菌群失調(diào)現(xiàn)象可能為不同疾病的共性致病機理提供重要線索。”肖力文表示。

“整體”認識我們的生命

這一研究進一步驗證了腸道內(nèi)的微生物是一個系統(tǒng)互作、緊密連接的整體。

肖力文說，傳統(tǒng)觀念認為，患病人群的腸道菌群之間存在很大差異。而這項研究表明，即使是結構不同的腸道菌群，也存在著相似的共性：一批相同的細菌在生態(tài)互作網(wǎng)絡中占據(jù)著關鍵位置，它們彼此間連接關系的改變，最終導致了多種疾病的發(fā)生。

在該研究中，讓研究人員感觸最深的是，這種“整體”的概念適用于所有的生物學研究。

趙方慶告訴《中國科學報》，人體是一個有機整體，不能孤立地看待任何一種生命現(xiàn)象。相同的細菌可能在不同疾病的發(fā)生發(fā)展過程中扮演著不同角色，它們在人體代謝網(wǎng)絡中的位置或功能的小小改變，影響的不是某一個組織或器官，而是整個生命系統(tǒng)。

“不僅腸道微生物如此，人體內(nèi)的基因、蛋白質(zhì)亦是如此，各種生命分子彼此協(xié)作，才構成我們精妙的人體。”趙方慶說。

論文審稿人認為，基于微生物的生態(tài)互作關系來整合不同數(shù)據(jù)集的方法十分合理且精妙，有助于基礎研究在臨床上的轉化與應用。

未來，研究團隊將繼續(xù)開發(fā)優(yōu)化計算方法，并在疾病標記物的預測中整合更多的人群特異性信息，助力精準醫(yī)療發(fā)展。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s43588-022-00247-8