[所屬分類:行業(yè)動(dòng)態(tài)] [發(fā)布時(shí)間:2022-5-25] [發(fā)布人:網(wǎng)站管理員2] [閱讀次數(shù):] [返回]

挖掘菌群“社交網(wǎng)” 揪出疾病“黑手”
新算法基于互作網(wǎng)絡(luò)識(shí)別疾病標(biāo)記物
作者：韓揚(yáng)眉 來(lái)源： 中國(guó)科學(xué)報(bào)
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
■本報(bào)記者 韓揚(yáng)眉
百年前，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者梅契尼科夫曾指出：腸道健康的人身體才健康。然而，復(fù)雜的腸道菌群究竟如何影響人體的疾病與健康？
近年來(lái)，關(guān)于腸道菌群與人體健康和疾病關(guān)系的研究越發(fā)豐富，尤其是隨著測(cè)序技術(shù)、基因組研究等的發(fā)展，大量研究為該領(lǐng)域積累了海量的生物數(shù)據(jù)信息。如何從海量零散的數(shù)據(jù)中，挖掘出與人類健康和疾病緊密相關(guān)的信息，成為腸道菌群領(lǐng)域關(guān)注的首要問(wèn)題。
5月23日，《自然—計(jì)算科學(xué)》在線刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院研究員趙方慶團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。該研究首次提出基于微生物互作網(wǎng)絡(luò)的新算法NetMoss，實(shí)現(xiàn)高效整合大規(guī)模菌群數(shù)據(jù)以及精準(zhǔn)識(shí)別疾病標(biāo)記物。
“難測(cè)”的腸道菌群
腸道菌群是一個(gè)龐大家族，根據(jù)科學(xué)家目前掌握的數(shù)據(jù)，腸道菌群包含500至1000種不同的細(xì)菌，基因總數(shù)是人類的100多倍。
它們構(gòu)成復(fù)雜，“成長(zhǎng)環(huán)境”千差萬(wàn)別�！澳c道菌群的種類、豐度，以及基因表達(dá)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�！闭撐牡谝蛔髡�、中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院博士生肖力文告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
腸道菌群的“喜怒哀樂(lè)”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(guò)菌群交互直接影響著呼吸道、生殖道等，還通過(guò)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(xué)家試圖找到它們與體內(nèi)其他器官的某些關(guān)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(guān)的微生物標(biāo)記物。
“微生物標(biāo)記物是一種標(biāo)記特定疾病的關(guān)鍵微生物，它們?cè)诮】等巳号c患病人群中的‘表現(xiàn)’有一定差異，使用穩(wěn)定的微生物標(biāo)記物可以更好地實(shí)現(xiàn)特定疾病的預(yù)防和治療�！毙ちξ恼f(shuō)。
不過(guò)，目前基于菌群豐度整合數(shù)據(jù)并進(jìn)行生物標(biāo)記物挖掘的方法存在偏差，此外，微生物豐度矩陣過(guò)于稀疏，常規(guī)計(jì)算方法也很難基于稀疏矩陣對(duì)不同批次的豐度進(jìn)行校正。
更值得關(guān)注的是，就微生物標(biāo)記物的種類和作用而言，不同研究得出的結(jié)論差異很大。因此，如何從來(lái)自不同人體的大數(shù)據(jù)中挖掘并解讀復(fù)雜菌群的內(nèi)在規(guī)律，仍是當(dāng)前面臨的一大挑戰(zhàn)。
從互作中尋找規(guī)律
為解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高效的數(shù)據(jù)整合和生物標(biāo)記物挖掘計(jì)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(luò)實(shí)現(xiàn)的。
肖力文介紹，之所以考慮微生物生態(tài)互作，是因?yàn)槟c道中的微生物并不是獨(dú)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(dòng)。通過(guò)構(gòu)建微生物互作網(wǎng)絡(luò)，可以很好地保留每一個(gè)子數(shù)據(jù)集最原始的生物互作信息，通過(guò)進(jìn)一步整合，人們就可以基于更龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行生物標(biāo)記物的挖掘。
研究團(tuán)隊(duì)收集整理了11377例包括疾病與健康對(duì)照的腸道菌群測(cè)序樣本，覆蓋78項(xiàng)研究、37種疾病、13個(gè)國(guó)家或地區(qū)。針對(duì)這些來(lái)自不同人群的多種數(shù)據(jù)集，他們提出基于互作網(wǎng)絡(luò)的新算法NetMoss，開(kāi)發(fā)了一種高效的數(shù)據(jù)整合和生物標(biāo)記物挖掘計(jì)算模型進(jìn)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(luò)，其對(duì)于不同健康狀態(tài)下環(huán)境對(duì)人體的擾動(dòng)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(luò)中已被擾動(dòng)的重要微生物類群。此外，其對(duì)疾病標(biāo)記物的識(shí)別效率高于其他方法。
“將這一方法應(yīng)用到包含多種疾病的網(wǎng)絡(luò)分析中，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，大部分疾病標(biāo)記物并不只導(dǎo)致一種疾病的發(fā)生，而是與多種疾病存在顯著關(guān)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(jī)理提供重要線索�！毙ちξ谋硎�。
“整體”認(rèn)識(shí)我們的生命
這一研究進(jìn)一步驗(yàn)證了腸道內(nèi)的微生物是一個(gè)系統(tǒng)互作、緊密連接的整體。
肖力文說(shuō)，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，患病人群的腸道菌群之間存在很大差異。而這項(xiàng)研究表明，即使是結(jié)構(gòu)不同的腸道菌群，也存在著相似的共性：一批相同的細(xì)菌在生態(tài)互作網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)著關(guān)鍵位置，它們彼此間連接關(guān)系的改變，最終導(dǎo)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(xué)研究。
趙方慶告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，人體是一個(gè)有機(jī)整體，不能孤立地看待任何一種生命現(xiàn)象。相同的細(xì)菌可能在不同疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中扮演著不同角色，它們?cè)谌梭w代謝網(wǎng)絡(luò)中的位置或功能的小小改變，影響的不是某一個(gè)組織或器官，而是整個(gè)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(gòu)成我們精妙的人體�！壁w方慶說(shuō)。
論文審稿人認(rèn)為，基于微生物的生態(tài)互作關(guān)系來(lái)整合不同數(shù)據(jù)集的方法十分合理且精妙，有助于基礎(chǔ)研究在臨床上的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用。
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)開(kāi)發(fā)優(yōu)化計(jì)算方法，并在疾病標(biāo)記物的預(yù)測(cè)中整合更多的人群特異性信息，助力精準(zhǔn)醫(yī)療發(fā)展。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s43588-022-00247-8