看Rob Knight教授玩轉微生物組計劃
本屆IHMC會議秉承了一貫的高規格模式，邀請了國際上多個微生物組領域的大咖作為嘉賓。本期就給大家隆重介紹一位當前微生物組領域的風雲人物——Rob Knight教授。
Rob Knight教授可以說是近年來微生物學界的風雲人物，他參與了國際上多項微生物組研究：人類微生物組計劃（HMP）的主要參與人，地球微生物組計劃（EMP）的負責人之一，同時也是美國腸道計劃（AGP）的發起人之一，可以說哪裡有重大微生物組研究的項目，哪裡就有他的影子。
Rob Knight
微生物生態學家，加州大學聖地亞哥分校教授
1996年，紐西蘭奧塔哥大學，生物化學專業學士；
2001年，普林斯頓大學，生態與進化生物學博士；
2001年後，在科羅拉多大學博爾德分校進行博士後研究，後成為該校跨學科生物研究所的教員；
2015年至今，在加州大學聖地亞哥分校指導微生物組計劃相關工作，並建立了微生物組實驗室Knight Lab。
名校一覽
加州大學聖迭戈分校（University of California, San Diego，簡稱為UCSD，又常譯為加州大學聖地亞哥分校）是UC系統內最年輕的分校之一，為美國全國性第一級(Tier1)的大學，位於美國南加州地區聖迭戈市。
研究方向
他目前的研究包括開發新的實驗室及計算機技術來研究人類、動物體內及環境中的微生物。致力於研究腸道微生物與肥胖、節食、地理、年齡和宿主行為的聯繫；人類個體微生物群落的獨特性；陸地、海洋及其他生態系統中微生物的時空分布；開發新的數據可視化方法，幫助解決微生物組「大數據」問題。
佳作賞析
01
A communal catalogue reveals Earth multiscale microbial
公開目錄揭示地球多尺度微生物多樣性
我們越來越認識到微生物世界的重要性和多樣性，同時也認識到對其結構理解有限。儘管近年在DNA測序方面取得了進展，但缺乏標準化的協議。通常意義的分析框架阻礙了研究之間的比較，及地球微生物生命全球推論的發展。
本研究中，我們從數百名研究人員處搜集了地球上的微生物樣品，進行地球微生物群系項目分析。利用新的分析方法，特別是利用精確的序列而不是操作分類單元（OTU），對細菌和古細菌的核糖體RNA基因序列進行多個研究，讓我們有機會以前所未有的規模去開發地球的多樣性。其結果是為DNA序列數據分析提供了一個全球背景參考資料庫，並為未來研究的相關數據整合提供一個框架，以不斷探索地球微生物的多樣性。
圖1 樣品的環境類型和產地
圖2 α多樣性、β多樣性和預測的16S rRNA基因平均拷貝數
圖3 環境序列和高等分類群的特異性
使用標準化的微生物群體測序和元數據管理來執行細菌和古菌群落的全球薈萃分析。與以往的許多宏基因組研究不同，本項研究並不是將序列分配到操作分類單元（OTU），而是利用一種最近開發的無參考方法來獲取確切的序列。在質量控制之後，生成了307,572條獨特序列。在這些序列中，只有10%與現有的資料庫相匹配。這種方法讓研究人員能夠追蹤樣本中的rRNA基因序列，並探索環境中的微生物多樣性。我們發現，在中性pH和相對較冷的環境中的微生物豐富度是最高的。
同時也發現，嵌套性（nestedness）似乎在這些群落中佔主導地位，這意味著多樣性低的群落可能是多樣性高的群落的子集，而不是完全不同的群體。本次研究也證實了以前的發現，依附於宿主意味著豐富度降低，而鹽水和非鹽水環境有著組成不同的微生物群落。例如，鯨類動物（鯨和海豚）及魚類的皮膚微生物組與它們生活的水域相似。不過，鹽水使它們的微生物組與淡水中的生物不同。
02
Dynamics of the human gut microbiome in Inflammatory Bowel Disease
微生物群體在炎症性腸病中的動態變化
炎症性腸病（IBD）的特徵是炎症發作，需要定期增加藥物治療，有時甚至需要手術。IBD的發病部分可歸因為放鬆管制的免疫響應、腸道菌群失調。橫斷面研究揭示了不同IBD疾病的微生物特徵，包括潰瘍性結腸炎（UC）、結腸克羅恩病（CCD）和迴腸克羅恩病（ICD）。IBD是動態的，但一般來說，微生物組研究主要集中在單個時間點或少數個體。
在這裡，我們對IBD患者中腸道微生物組的長期動態行為進行分析，並將其與正常變異區分開來。基於健康樣本建立了一個健康「位面」（HP），發現IBD組微生物的波動超過了健康「位面」；ICD患者最偏離HP，特別是經手術切除的患者。有趣的是，一些IBD受試者的微生物組結構會不定時向HP靠攏，然後又逐漸偏離。
圖1 定義一個健康「位面」
上圖總結了用一組樣本S創建代表性「位面」的程序
圖2 不同IBD亞型的腸道微生物相對於健康的「位面」呈現不同的分布。所有IBD亞型與健康對照顯著不同
圖3 三維排序空間中糞便鈣衛蛋白濃度與定義的健康位面（HP）距離間的相關性。糞便鈣衛蛋白濃度可以表徵腸道炎症活躍度。
炎症與健康人群微生物組在距離上雖沒有直接關係，但是觀察到的腸道微生物組的劇烈波動與疾病爆發導致的藥物強化之間存在一定的相關性。這些結果有助於指導IBD患者將腸道微生物群從失衡狀態轉向健康狀態的療法。
代表文章
1 Smits, S. A., et al. "Seasonal cycling in the gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers of Tanzania." Science 357.6353(2017):802.
2 Vrbanac A, et al. "An Elegan(t) Screen for Drug-Microbe Interactions. "Cell host & microbe 21.5(2017):555.
3 Debelius, Justine, et al. "Tiny microbes, enormous impacts: what matters in gut microbiome studies?." Genome Biology 17.1(2016):217.
4 Oni, T, et al. "Let researchers try new paths." Nature538.7626(2016):451.
編輯：王霞
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