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肠道菌群性别差异研究取得基础性突破、解析男女存在七个方面差异及其机制
2019-10-24 来源:计算生物与医学生态学组 作者:
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  中国科学院昆明动物研究所马占山学科组在最新一期的《Advanced Science》发表题为“男女在菌群上有何差异,为什么有差异”的研究论文,揭示了男女菌群在15个位点(包括肠道、呼吸道、口腔、皮肤等)7个方面所存在的重要差异及其机制,为研究男女在对菌群相关疾病的易感性差异等领域提出了首份参考标准,从而在“菌群性别组学”(Microgenderome)这一崭新研究领域取得基础性突破。论文作者为国科大博一研究生李文迪与其导师马占山研究员。论文已于近日在线发表:  

  Ma ZS & Li W (2019) How and Why Men and Women Differ in Their Microbiomes: Medical Ecology and Network Analyses of the Microgenderome. Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201902054 

  “菌群性别组学”的概念, 简单的讲就是人体菌群也有性别之分,或者叫“性二型”。该概念是MB Flak 在评述JG Markle于2013年发表于Science 的论文时新造出来的一个英文单词,即Microgenderome。当然简单的描述菌群有性别差异,其理论和实际意义都有限。对于这一概念的科学研究则应该是揭示菌群性别差异与免疫系统、内分泌系统、“肠—脑轴心”等重要系统相互作用的现象和机理。这些研究的直接应用领域包括对于男女在对某些疾病易感性方面差异做出机制性解释, 并基于这些差异优化诊治和预防措施。这些疾病中包括肥胖、糖尿病、痛风、IBD、老年痴呆症、自闭症、抑郁症以及诸多自身免疫性疾病。男女在对这些疾病易感性方面往往存在较大差别,其中性别特定的菌群差别导致了男女在免疫内分泌调节方面出现重要差别,从而影响了对疾病的易感性和治疗的有效性。例如,男性痛风发病率远高于女性,乃至连尿酸正常水平都具有明显的差别。 事实上,男女在对某些癌症发病率方面差异也可能与菌群差异相关。需要强调的是菌群与人体这些调节系统往往是双向互作,甚至可能构成了非常复杂的网络。菌群更是影响了“脑-肠通讯中枢”等复杂系统的运作。 

  这样重要差别为什么一直没有得到系统的研究?其实科学家一直在进行探索:例如,许多菌群研究往往都设计了男女对照样本。但由于先前分析菌群数据的生物信息学方法通常缺乏对性别差异的特殊考量和设计,使得研究菌群性别差异在方法上存在较大的分析技术难度。 于是,虽然已经有大量研究数据积累,但在分析技术方面仍鲜有突破性进展。 

  马占山和李文迪此次所发表的论文数据来自于美国“人类菌群宏基因组项目(HMP)” 于2012年公开的数据 。而新研究所采用的分析方法和技术几乎全部来自学科组自主研发的生物信息大数据分析技术。这或许也可以解释了,尽管这些数据公诸于世已经将近8年后,他们仍然能够挖掘出重要信息的原因。该研究的发表使得今后对于人体菌群的研究,从实验设计到数据分析解释,或许必须考量男女在菌群结构方面客观存在的差别,并进行基准校正。 

  该论文的副标题为:“菌群性别组学的医学生态学和网络分析”。“医学生态学”可以看作是医学微生物、理论生态学、临床医学研究的交叉领域;现阶段研究主要对象即为人体菌群,研究方法技术主要基于宏基因技术、生物信息学、复杂性科学、大数据技术等。成立于2011年的“计算生物与医学生态学”学科组也是首家以医学生态学冠名的实验室; 除医学生态学外,实验室另一主要方向是基因测序组装算法和软件技术。在该方向已先后发布了三款大型软件:包括用于二代测序的SparseAssembler以及三代测序的DBG2OLC和Sparc。 华大基因旗舰软件SoapDenovo-II 的核心算法即为SparseAssembler原创。DBG2OLC和Sparc 为最新三代测序技术研发,曾经将三代测序中多重比对一步计算从40多万小时减少到6个小时。今年年初发布的最新研究成果将四代代测序技术(Nanopore)和10X-Genomics 技术相结合实现混合组装,在组装人类基因组时,对四代技术的测序深度要求仅仅为7X。这意味着,混合组装可以降低四代测序成本达70%。 

  学科组在以上两大领域已申请发明专利近20项,关于三代测序技术专利已经授权;并发表了一系列理论和方法性论文。学科组主编出版的《生物信息学:计算技术和软件》专著得到国家科学技术出版基金资助奖励;并收到了包括SpringerNature等出版社约稿撰写《Medical Ecology》题材专著的邀约。 

  该论文受到了《Advanced Science》同行评审专家的高度评价,三位审稿专家仅提出了一条修改意见:建议增加一段对研究结论的总结(为节省文章篇幅,初稿仅仅在摘要中有总结)。这也使得该论文从投稿到正式接收仅用了七周时间。该研究受到国家自然科学基金,云岭产业技术领军人才项目,云南省科技厅,遗传资源与进化国家重点实验室,以及中科院动物进化与遗传交叉创新卓越中心等的资助和支持!


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