《Nature Microbiology》：Disentangling microbiota-dependent and -independent impacts of antibiotics on host physiology
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抗生素被认为通过改变肠道微生物群（gut microbiota）影响宿主生理（host physiology）。然而，哪些抗生素效应依赖微生物群、哪些不依赖仍不清楚。研究人员呈现了一套涵盖抗生素处理下宿主与微生物群响应的资源，并开发了计算工具用于分析这些响应。
抗生素被认为通过改变肠道微生物群（gut microbiota）影响宿主生理（host physiology）。然而，哪些抗生素效应依赖微生物群、哪些不依赖仍不清楚。研究人员呈现了一套涵盖抗生素处理下宿主与微生物群响应的资源，并开发了计算工具用于分析这些响应。对常规（conventional）小鼠与无菌（germ-free）小鼠进行的宏基因组（metagenomic）与转录组（transcriptomic）分析显示，抗生素给药途径及其组合会影响宿主与微生物群响应。研究人员开发了CompoRes——一种区分抗生素扰动中微生物群非依赖影响的计算工具，揭示抗生素可直接作用于宿主生理。研究人员发现，小鼠结肠中主要组织相容性复合体II类（major histocompatibility complex class II，MHC II）分子的昼夜表达由葡萄糖经摄食调控；该模式在抗生素治疗中消失，因为万古霉素（vancomycin）以微生物群非依赖且进化上保守的方式改变了摄食行为。该研究由此确立了一条抗生素重塑宿主免疫与昼夜生理的直接非微生物通路。
研究背景方面，环境包括药物可塑造宿主生理，越来越多证据表明许多环境效应经由肠道微生物群介导，这使人难以判断环境因素是直按作用于宿主还是通过微生物群发挥作用。无菌动物可用于检验扰动是否直接作用于宿主，定菌动物可用于检验效应是否由特定微生物组介导。现有工具多关注微生物组成与表型是否相关，缺乏从观测数据严格预测环境因素是直按作用宿主还是经微生物群作用的方法。抗生素本是抗菌环境因子，除改变菌群外，还可直按影响培养细胞、诱导抗病毒免疫、影响代谢、抑制线粒体蛋白合成、诱发肠上皮细胞内质网应激并损伤黏液屏障。因此，抗生素既可通过菌群也可不依赖菌群影响宿主，但临床与研究中常把抗生素仅当作耗竭菌群的工具，亟需区分两类效应。
本研究论文发表于《Nature Microbiology》。研究人员利用抗生素对宿主与微生物群的广泛影响，构建并验证计算框架，预测扰动是直按还是经微生物群影响宿主，并聚焦系统给药万古霉素对肠道昼夜基因的微生物群非依赖扰动；进一步在无菌小鼠中证实万古霉素改变摄食行为，而这种行为变化以微生物群非依赖方式塑造结肠上皮抗原提呈机器的振荡。
主要关键技术方法方面，研究人员使用特定病原-free（specific pathogen-free，SPF）小鼠与无菌（germ-free）小鼠队列，并以粪菌移植（faecal microbiota transplantation，FMT）接收群体作为微生物群依赖效应对照；通过口服灌胃、腹腔（intraperitoneal，i.p.）与静脉（intravenous，i.v.）给药比较途径效应；采用16S rRNA扩增子测序与宏基因组分析菌群，结肠RNA测序（RNA-seq）分析宿主转录；用随机森林（random forest）分类不同抗生素与途径的转录特征；开发CompoRes，将微生物组成聚为操作组成单元（operational compositional units，OCUs），以对数比与基因表达关联并通过重排产生显著性P值；在无菌小鼠、Nmu敲除小鼠、MODE-K肠上皮细胞、PC12神经元样细胞与果蝇中跨物种验证摄食、神经与昼夜免疫效应。
研究结果方面，The route of antibiotic administration impacts its effect on the gut microbiota：研究人员对SPF小鼠经口、i.p.、i.v.给予万古霉素、氨苄西林（ampicillin）、甲硝唑（metronidazole）、新霉素（neomycin）及四药混合，发现万古霉素虽为大分子亲水药物，系统给药仍可在肠腔检出，并随途径产生不同菌群组成变化，说明给药途径本身就会重塑微生物群。
Changes to gut microbiota composition do not predict alterations in gut gene expression：研究人员对结肠转录组做基因本体（Gene Ontology，GO）与基因集富集分析（gene set enrichment analysis，GSEA），发现i.p.与i.v.万古霉素对菌群影响相似，但i.p.诱导更多宿主转录通路改变，说明微生物组成变化不能完全预测宿主响应。
Different antibiotics induce unique changes to gut gene expression：研究人员训练随机森林分类抗生素与途径，发现i.p.万古霉素独特影响MHC II-T细胞钙调磷酸酶-NFAT信号，新霉素诱导抗病毒基因；四药混合会掩盖单药独特转录簇，说明不同抗生素对宿主有独特直按转录效应。
Antibiotic administration routes affect host gene expression in the gut：研究人员按单一抗生素与途径建模，发现氨苄西林与万古霉素各途径都强烈影响核心时钟基因Ciart、Nfil3、Per3、Dbp；四药混合反而抑制这些核心时钟基因效应，说明途径相似效应与组合掩蔽效应并存。
Treatment with antibiotic pairs does not result in an additive effect：研究人员用临床相关配对如万古霉素+甲硝唑、新霉素+甲硝唑口服，发现配对可产生非加和、甚至抑制核糖体基因表达的counterintuitive宿主效应。
Use of CompoRes as a computational tool to associate microbiota compositional changes with gut gene expression：研究人员以已知直按或经菌群扰动为金标准，证明CompoRes能区分i.p.万古霉素的微生物群非依赖差异表达与口服万古霉素经FMT传递的微生物群依赖差异表达；新霉素抗病毒基因、万古霉素自噬相关基因均呈低菌群相关性。
Microbiota-independent disruption of colonic circadian rhythms：研究人员对SPF与无菌小鼠做24小时结肠采样，发现i.p.万古霉素在两组中都改变核心时钟基因，且两组受影响基因重叠低于随机预期，证实万古霉素以微生物群非依赖方式扰乱结肠昼夜转录。
Vancomycin affects enteric neurons and induces hypophagia via neuromedin U in a microbiota-independent manner：研究人员发现万古霉素到达肌间丛神经元并上调Nmu与Nmur2；Nmu敲除小鼠不畏其厌食效应，证明万古霉素经肠神经NMU信号引起摄食下降，且果蝇中hugin-PK2-R1轴呈现进化保守响应。
Diurnal MHC class II expression is dictated by feeding and is disrupted by vancomycin：研究人员发现无菌小鼠结肠H2-Aa与H2-Ab1在ZT17达峰，葡萄糖可诱导MODE-K细胞与禁食无菌小鼠中H2-Ab1；万古霉素致厌食后该峰消失，说明结肠MHC II类分子昼夜表达由摄食来源葡萄糖驱动而非必须由微生物群驱动。
讨论部分总结方面，过去两百年微生物群被视为宿主生理与健康核心，非抗生素药如二甲双胍、免疫治疗、精神类药物的微生物群介导机制已被确立，但抗生素除毒性外如何塑造宿主生理仍不清，传统假设将其效应全归为抗菌后菌群改变。研究人员开发CompoRes，把与微生物位移相关的宿主基因表达变化和独立发生的改变区分开，用重排零模型识别微生物群非依赖基因。借助该工具，研究人员证明万古霉素可脱离抗菌活性调节宿主昼夜与免疫功能。关于结肠MHC II类表达，研究给出两点：小肠MHC II振荡需微生物存在，而结肠在无菌状态下仍具昼夜性；该表达由摄食尤其葡萄糖直接诱导，可被理解为一种预期性免疫机制——摄食是微生物抗原进入主要途径，葡萄糖波动可预警即将到来的抗原接触。代谢-免疫这一联系也为工业化社会中高糖摄入、昼夜进食紊乱与慢性炎症疾病上升提供机制性解释。
研究结论部分翻译为：本研究挑战了抗生素作用仅经微生物群的模型，并提供了识别抗生素对宿主直按效应的框架。
需要注意的是，用户上传文档里论文标题写的是Disentangling microbiota-dependent and -independent impacts of antibiotics on host physiology，但正文与期刊信息指向Nature Microbiology/ISME类微生物学顶刊语境；按用户给定信息，论文发表在《Nature Microbiology》。以上所有内容均依据上传文档正文浓缩，未添加原文未有之推测。
