《Frontiers in Microbiology》：Ecological assembly of mucosal and fecal microbiomes in ulcerative colitis across genes, functions, and species
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摘要引言：炎症性肠病（IBD）与肠道微生物失调相关，但群落组装背后的生态过程仍不清楚。方法：研究人员应用Sloan中性群落模型（Sloan's neutral community model），在来自健康对照和溃疡性结肠炎（UC）患者的粪便和黏膜微生物群中，跨
摘要引言：炎症性肠病（IBD）与肠道微生物失调相关，但群落组装背后的生态过程仍不清楚。方法：研究人员应用Sloan中性群落模型（Sloan's neutral community model），在来自健康对照和溃疡性结肠炎（UC）患者的粪便和黏膜微生物群中，跨多个生态层面（包括宏基因组基因（MGs）、分子功能（MFs）和微生物物种（古菌、细菌、真菌和病毒））检验随机和确定性过程的相对贡献。结果：在所有层面，大多数MGs、MFs和物种符合中性预期，表明随机过程在群落组装中占主导地位。然而，UC始终与中性MFs和物种比例增加相关，伴随非中性组分的减少，提示疾病条件下选择约束减弱。生态位进一步调节了这些模式。粪便群落含有显著高于黏膜群落的非中性MFs和物种比例，表明粪便中确定性过程更强。选择状态转变分析揭示了UC中选择状态的广泛变化，尤其是在黏膜环境中，功能和分类学谱均表现出显著转变。这些变化主要由选择的获得和丧失驱动，而非方向切换，表明UC改变的是选择强度及其存在与否，而非其方向。讨论：综上，这些发现为理解UC相关失调提供了一个多层生态框架，强调中性增加和选择重连是疾病条件下微生物群落组装的关键特征。
论文解读文章
研究背景、现存问题及研究意义
炎症性肠病（IBD），包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），是一种慢性、复发性胃肠道疾病，其全球发病率上升凸显了环境因素与宿主生物学之间的关键相互作用。该病病因多因素，源于遗传易感宿主中免疫反应失调，而肠道微生物群已被确认为发病机制的中心贡献者。IBD的一个标志是肠道微生物群落结构的破坏，表现为常驻微生物丰度、多样性和功能的变化。这些改变不仅限于细菌，还涉及古菌、真菌和病毒，表明IBD相关失调是一种跨界的生态现象，而非纯细菌性疾病。因此，理解在健康和疾病中控制这些多样微生物群落组装的生态力量，对于阐明驱动IBD发病的机制至关重要。
目前，关于IBD肠道微生物组的研究传统上集中于细菌，但跨界的生态组装过程尚不清楚。先前的研究缺乏对功能遗传潜力（如宏基因组基因和代谢途径）的整合分析，且粪便与黏膜相关微生物群之间的比较分析不足。粪便和黏膜微生物群代表根本不同的生态栖息地（粪便来自肠腔，黏膜为宿主-微生物界面），两者在选择性压力上存在显著差异。因此，本研究旨在应用Sloan中性群落模型，跨多个整合层面的宏基因组数据，系统分析健康对照和UC患者配对粪便和黏膜样本中物种、基因和功能的组装机制，揭示UC中从随机驱动到确定性驱动的转变，为理解UC相关失调提供统一的生态和功能视角。该研究论文发表在《Frontiers in Microbiology》。
主要关键技术方法
研究人员从中国昆明42名参与者（21名健康对照和21名UC患者，年龄18-60岁）中收集了22份粪便样本和42份肠道黏膜样本（直肠，距肛门约10cm，使用无菌活检钳）。UC患者均接受美沙拉嗪治疗。DNA提取后，使用Illumina HiSeq平台进行鸟枪法宏基因组测序，获得119.23 Gb高质量数据。使用MetaGeneMark预测基因，CD-Hit构建非冗余基因目录（999,310个基因），并注释至七个数据库（COG、GO、KEGG、Nr、Swiss-Prot、ARDB、eggNOG）。物种分类使用Kraken2和Bracken。应用Sloan中性群落模型拟合各层面（MGs、MFs、物种），将特征分为低于中性（负选择）、中性和高于中性（正选择）三类，并使用Fisher精确检验比较组间比例，FDR校正。选择状态转变分析将特征在健康与UC之间的状态变化分为稳定状态和转变状态（选择的获得、丧失、切换及中性变化）。
研究结果
Dataset overview and community characteristics（数据集概述与群落特征）
研究人员通过de novo组装64个宏基因组，生成了包含999,310个宏基因组基因的非冗余基因目录。粪便群落基因丰富度显著高于黏膜群落（如健康粪便HF：837,461；健康黏膜HM：177,958），表明肠腔中基因组多样性更高。功能注释获得数千至数十万宏基因组功能。物种分类鉴定出3,740–8,046种微生物，细菌最丰富，其次为病毒，古菌和真菌贡献较小。黏膜群落各界的物种丰富度均低于粪便，表明黏膜栖息着更少但经选择性过滤的微生物库。
Neutrality, negatively selected, and positively selected microbial species（中性、负选择和正选择的微生物物种）
通过拟合Sloan中性模型，除黏膜古菌外，所有模型表现良好。在粪便群落中，大多数古菌、细菌和病毒为中性，非中性物种占比低于30%。非中性细菌中绝大多数为正选择（HF: 93.52%; UF: 85.19%），而在真菌中，HF中正选择占主导（59%），UF中中性真菌增多（53.03%），正选择减少（40.91%）。疾病相关变化在细菌中最明显：UC中中性细菌比例显著增加，非中性比例下降，其中负选择细菌增加，正选择细菌减少。在黏膜群落中，细菌、真菌和病毒主要受中性过程控制。UC中细菌正选择比例急剧下降，病毒负选择比例增加。生态位比较显示，粪便中非中性细菌和真菌比例显著高于黏膜，而病毒则相反（非中性病毒在黏膜中更多）。丰度分析表明，在黏膜细菌、黏膜病毒、粪便古菌和粪便病毒中，非中性物种通常比中性物种丰度更高；在健康粪便中，中性细菌丰度最高，而UC粪便中正选择细菌丰度最高，表明确定性过程优先作用于优势分类群，且UC中疾病相关环境过滤促进特定选择类群。
Neutrality, negatively selected, and positively selected MGs and MFs（中性、负选择和正选择的宏基因组基因和功能）
对于MGs，仅黏膜样本获得可接受拟合，大多数MGs为中性（HM: 98.31%; UM: 97.95%），且UC黏膜中负选择MGs比例显著升高。对于MFs，所有28个模型拟合良好，大多数MFs为中性（62.91–98.91%）。UC中非中性MFs比例显著降低（除ARDB外），表明UC中功能受选择约束更弱。具体表现为负选择和正选择MFs在UC中普遍减少，但黏膜中eggNOG来源的正选择MFs在UC中显著富集。生态位比较显示，78.6%的比较中粪便中非中性MFs比例显著高于黏膜，表明确定性过程在粪便中更突出。
Selection-state transitions of microbial species and metagenomic functions in UC（UC中微生物物种和宏基因组功能的选择状态转变）
通过比较健康与UC中各特征的选择状态（负选择、中性、正选择或缺失），将15种转变模式分为稳定状态和转变状态。在物种层面，稳定状态占粪便群落的32.76–70.95%，占黏膜群落的26.51–69.23%。黏膜中古菌和细菌的稳定状态比例更低，表明疾病扰动更强。在MFs层面，稳定状态占粪便功能的50.87–78.09%，占黏膜功能的38.19–63.64%，且黏膜中稳定MFs比例始终低于粪便。重要的是，在所有数据库和微生物界中，选择的获得和丧失转变频率远高于直接的正负选择切换，表明UC相关生态重构主要由选择压力出现或放松驱动，而非方向逆转。
总结讨论与结论
讨论部分指出，本研究的关键发现是UC中确定性选择作用减弱，中性增加，这体现在几乎所有分析组分（物种、MGs、MFs）中。慢性炎症可能破坏宿主免疫监视、营养可用性等选择性力量，导致“生态释放”，使病原菌通过随机动态增殖，解释IBD微生物组中观察到的个体间变异性增加。黏膜生态位是生态变化的焦点：尽管黏膜整体确定性较弱，但疾病引起的生态重排更广泛，选择状态转变频率更高。功能中性增加暗示代谢途径与宿主生理需求脱钩，如短链脂肪酸（SCFA）产生途径的选择减弱，与丁酸缺乏一致。方法学上，将Sloan模型扩展至MGs和MFs基于OMU（操作宏基因组单元）框架，但需注意基因和功能并非自主生态实体，模型应视为对群落遗传和功能组装的生态近似。局限性包括单中心队列、仅含美沙拉嗪治疗UC患者、横截面设计无法确定因果关系，以及特定宿主因素未明确。
研究结论翻译如下：总之，我们的发现表明，UC的特征是肠道微生物组在分类和功能维度上的中性增加和选择约束减弱。尽管确定性过程仍然重要，尤其是在粪便群落中，但UC相关的生态重构在黏膜生态位更为广泛，此处微生物物种和宏基因组功能均表现出更高的选择状态转变频率。这些结果表明，UC相关失调不仅反映群落组成和功能潜力的改变，还反映控制微生物组组装的生态过程的广泛重组，其特征是选择减弱和随机性增加。从治疗角度看，我们的发现意味着成功的基于微生物组的干预可能不仅仅需要引入有益微生物。长期恢复健康微生物组可能依赖于重新建立维持生态稳定并支持有益分类群持续存在的宿主衍生选择力量。因此，修复黏膜屏障和缓解肠道炎症的治疗可能不仅通过改变群落组成，还通过恢复引导微生物组装朝向稳定、健康相关状态的选择性环境，从而促进微生物组恢复。
