微生物组研究展望：过去、现在和未来

Microbiome research outlook: past, present, and future

2023-5-23，Protein & Cell，[IF 15.328]

DOI：10.1093/procel/pwad031

原文链接：https://academic.oup.com/proteincell/advance-article/doi/10.1093/procel/pwad031/7176102

第一作者：高云云(Yunyun Gao)

通讯作者：刘永鑫(Yong-Xin Liu) liuyongxin@caas.cn

合作作者：李丹宜(Danyi Li)

主要单位：中国农业科学院深圳农业基因组研究所、热心肠生物技术研究院

大众评审

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- 亮点 -

•近十年，微生物组研究取得了前所未有的发展，文章回顾了微生物组研究的热点变化；

•文章简述了本期特刊的研究重点，探讨了微生物组对人类健康和疾病的影响；

•文章展望了实践、概念和技术上的前沿发展，提出微生物组的潜在革新方向。

- 引言 -

微生物组在人类健康和疾病中扮演了至关重要的角色，对微生物组学的深入认知革新了现代生物学领域。近年来，微生物组研究发展迅速，微生物学家的研究重心从最初了解宿主的微生物组分类，转向了解微生物组的功能角色及其与宿主之间的互作。本文简述了微生物组领域的论文发表趋势和研究热点，总结了Protein & Cell本期专刊的重点内容，并强调了微生物组研究的未来研究方向及重大进展，包括技术、实践和概念上的革新，必将拓展微生物组对疾病诊断、药物开发和个性化治疗等方面的应用。

- 结果 -

1. 全球微生物组研究的趋势和进展：从组成到功能

近年来，微生物组研究在技术、实践和概念上取得了重大进展。起初微生物组的研究重点为物种组成和多样性的描述，并确定微生物和宿主表型之间的相关性。目前该领域已逐渐开始关注微生物组功能解析，探索微生物组的作用机制，及研究其与宿主的协同进化。这些工作将进一步加深人们理解微生物组对宿主多个方面的影响（图1A）。

根据Web of Science核心库（Web of Science Core Collection database）的搜索结果（数据截止2023年03月29日），全球微生物组研究的大部分源自北美、亚洲和欧洲（图1B），超过2/3的出版物发表于过去五年。值得注意的是，自2018年以来，中国科学家对该领域做出了巨大推动，其出版物数量的同比增长率始终保持增长趋势（图1C，图S1）。

Protein & Cell为微生物组研究和综述进展提供了一个高质量的发表平台。该期刊曾组办过两次以微生物组为主题的专刊，两期专刊中收录的文章一经发表即被全球范围广泛引用（图S2A），其中三篇研究备受关注，包括陈峰教授团队综述的口腔微生物组对人体健康的影响，王则能团队综述的肠道微生物组参与合成的代谢产物与心血管健康和疾病，以及刘永鑫教授团队发表的关于微生物组数据分析的流程。前两期专刊工作自2018年以来已获得1500多次引用，平均引用率是同期该期刊其他出版物的三倍以上（图S2B），并对Science、Cell、Nature Medicine等高水平期刊文章的发表做出突出贡献（图1D，图S2A）。

图 1. 微生物组研究领域的热点和趋势（数据提取自Web of Science 核心库，并截止到2023年03月29日）。

（A）自1985年起，基于收集到的出版物关键词构建的微生物组研究热点网络图，包括638个关键词（每个关键词出现次数不少于100次）；（B）自1985年起，以微生物组为关键词的出版物在全球分布情况；（C）微生物组领域排名前五的国家，每年微生物组相关出版物数量的同比增长率（Year-over-year growth rate）。同比增长率=（当年的文章发表量-前一年的文章发表量）/前一年的文章发表量× 100%；（D）Protein & Cell 前两期专刊论文的引文指数（Citation index）。引文指数=期刊2021影响因子×期刊引用数量。图1A由VOSviwers绘制。

2. 揭开微生物群落的神秘面纱：对人类健康和疾病的影响

在Protein & Cell本期专刊中，科学家们试图揭开微生物群落对人类健康和疾病的影响。刘宏伟教授团队表征了肠道细菌细胞壁衍生分子相关的免疫原分子，并提出了微生物群落衍生成分在人类免疫系统训练中的作用。朱书教授团队总结了肠道微生物组和微生物代谢产物成分如何被宿主免疫系统感知及其在维持人类肠道稳态中的作用。肠道微生物群落在肠-脑轴的相互作用中发挥着重要作用，本期有两篇综述论述了其中的机制，刘星吟教授团队重点关注了神经发育障碍的当前研究，段丽萍教授团队则强调了肠道菌群和小胶质细胞在肠-脑互动障碍中的相互作用。程功教授团队回顾了蚊子和宿主微生物群落在蚊媒传播疾病方面的机制。王金锋教授团队从微生物群落的角度重新构思了母婴健康的概念。郑钜圣教授团队为人类健康的营养和微生物群落之间的相互作用提供了广泛的见解。

与此同时，为了有效管理不断增长的微生物组数据和复杂的统计软件，系统性的方法对于微生物组物种分类和结果解释至关重要。刘永鑫教授团队对常用的R包进行了比较和总结，获取了既简单、又高效的微生物组分析方案，方便领域科研人员使用。

图 2. 本期特刊研究重点。

本期特刊包括微生物组研究的七个方面，包括微生物组分析的最好方案（内圈），肠道微生物组对宿主免疫系统的调控（外圈上半部分），肠道微生物组对免疫感应的影响（外圈下半部分），微生物组在肠-脑轴中的作用（左上角），微生物组在蚊媒传病中的角色（右上角），微生物组对母婴健康的影响（左下角），微生物组、营养和健康之间的互作（右下角）。

3. 微生物组研究的前沿：解锁革命性的先进工具以改善人类健康

未来，我们相信，随着实践、概念和技术上的发展，微生物组研究必将迎来新的革命。实践方面，高质量DNA提取和高通量培养组学等试验技术的改进将彻底改革微生物组研究的工作流程，有助于进一步研究微生物组的功能和机制。概念方面，随着研究数量的不断增加，了解健康和疾病中微生物组模式的重点仍将是一个关键的研究领域。泛微生物组概念将为确定环境或宿主中核心微生物组和微生物组模式提供机遇，亦为解释和理解个体/群体之间的异质性提供材料。此外，微生物组学家将会关注微生物群落的“暗物质”，例如真菌、病毒、古菌和原生动物等，这些微生物目前仍很少被关注，但他们在环境中的广泛寄生，表明其可能具有与细菌同等重要的作用。技术方面，会引入更多先进的测序技术，如长读序列、单细胞测序和宏转录组测序等技术，这也将允许在物种或菌株层面上对微生物组开展深入研究（图3A）。同时，云平台和R软件包的发展亦将极大地促进微生物组研究中数据处理和挖掘方面的工作。

基于上述工作的推动，必将产生更多关于微生物组与宿主关系的假设，这些假设亦将通过体外和体内进行评估，并在人类中开展理论验证（图3B）。最终，我们可以将微生物组作为一种多功能工具用于疾病诊断、药物开发和个性化干预，彻底革新微生物组的研究领域。

图 3. 未来领域的研究方向。

（A）微生物组领域在实践、概念和技术方面的概述流程图；（B）获取的数据将对微生物组领域的理论生成、评估和验证至关重要。

- 代码和数据可用性 -

本文所用代码及数据均已发布于GitHub (https://github.com/YunyunGao374/ProteinCell2023MicrobiomeReview)。

参考文献

Yunyun Gao, Danyi Li, Yong-Xin Liu. 2023. Microbiome research outlook: past, present, and future. Protein & Cell pwad031. https://doi.org/10.1093/procel/pwad031

- 作者简介 -

中国农业科学院

深圳基因组研究所

高云云

博士

毕业于北京林业大学生态与自然保护学院，目前为中国农业科院学基因组研究所刘永鑫研究员团队博后，主要研究方向为挖掘动植物宏基因组数据中的核心微生物组。已发表论文18篇，以第一（或共一）发表SCI论文8篇，受国家留学基金委资助前往牛津大学联合培养。获国家奖学金、研究生国家奖学金、第八届“创青春”中国青年创新创业大赛（乡村振兴专项）成长组银奖等奖励。

热心肠生物技术研究院首席科学家

中国肠道大会国际期刊与出版沙龙主席

李丹宜

热心肠生物技术研究院首席科学家，中国肠道大会国际期刊与出版沙龙主席。清华大学生物科学与技术系，获学士学位。拿大多伦多大学分子遗传学，获硕士和博士学位。

中国农业科学院

深圳基因组研究所

刘永鑫

研究员

中国农科院基因组所研究员，iMeta期刊执行主编，宏基因组公众号创始人。主要研究方向为微生物组方法开发、功能挖掘和科学传播，在Science、iMeta、Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Cell Host & Microbe、Protein & Cell等期刊发表论文50余篇，被引12000余次。主编《微生物组实验手册》专著，由300多位同行参与，共同打造本领域长期更新的中文百科全书。创办宏基因组公众号，15万+同行关注，累计阅读量超3千万，打造本领域最具影响的科学传播平台，免费为您团队发布成果、方法、经验、招生招聘等，欢迎投稿。2021年发起iMeta期刊，打造微生物组/生物信息领域国际顶刊，解决我本领域期刊出版卡脖子问题，建立国际学术话语权体系。

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