保持肠道微生物组的平衡对人类健康至关重要。饮食是控制肠道微生物营养供应的一个重要且普遍可获得的自然渠道。尽管许多研究表明，饮食干预可以专门调节肠道微生物组的组成，但由于微生物群落反应的个体间差异性，通过饮食进行干预变得复杂。据报道，这种个体间反应差异的原因包括基线微生物组组成特征，但目前还不清楚其中是否有干预的特异性。
近期发表在《npj biofilms and microbiomes》（影响因子：8.46）中的一项研究，应用一个统一的计算框架，揭示了一些基线微生物组特征，它们以独立于干预的方式决定了微生物组反应。最稳定的关联之一是反应对群落中每个微生物的平均基因数的负依赖性--这是群落功能冗余的指标，在不同的干预措施和肠道类型中是可重复的。同时，许多揭示的微生物组反应决定因素是肠型特异的。该研究提出了一种初步评估微生物组反应的方法。所提出的方法对于理解肠道微生物组的稳定机制和提高个性化的微生物组干预措施的效力很有希望。
1， 微生物组对饮食干预的反应指标
评估微生物组反应的一个广泛应用的方法是计算干预前后收集的配对样本之间的β多样性，但β多样性依赖于与之比较的样本的α多样性。考虑到对α多样性的这种依赖性，评估群落间差异的一种方法是基于所谓的零模型（null model）。这种方法允许人们估计观察到的β多样性与给定的α多样性、平均分类群丰度和群落中的流行率的预期有多大差别。这里选择了基于Bray-Curtis差异性的Raup-Crick度量的变体，表示为RCbray。它从-1到1不等，其中-1对应于完全相同的社群，而1-对应于最不同的社群。
2， 微生物组反应对基线微生物组组成的依赖性
研究在五项独立的研究中探讨了微生物组对饮食干预的反应，产生了八种不同的干预措施，持续时间为2至10周。微生物组的反应是在干预前后收集的成对样品中以RCbray的形式测量的。在所有调查的研究中，微生物组对饮食干预的反应差异很大，超过了不同研究中平均反应的方差。
 图3. 微生物组对干预措施的反应与基线微生物组组成之间的关系
基线平均基因数（average gene number， AGN）与反应呈负相关，而α多样性和拟杆菌门/厚壁菌门比例（B:F）呈正相关。对大多数干预措施进行单独分析时也观察到同样的效果（图3b）。如果分不同肠型进行分析，除Prev外，每个肠型都观察到AGN和α多样性与反应的关联（图3b，c）；仅在Bact2肠型检测到与B:F比率的关联（图3b，c）。使用其他七个β多样性指标来验证B:F和AGN的结果，以进行反应计算。根据包括所有样品的分析类型，最可重复的是与AGN的负相关，而与B:F比率的正相关使用三个指标进行了重复。
至于反应与单个微生物物种的基线丰度的关联，最具重复性的关联是反应与Blautia属未分类物种丰度的负相关性（在三个肠型和四个干预中检测到）和[Ruminococcus] gnavus（在两个肠型和六个干预中检测到）。在肠型特异性关联中，最强的是Bact2肠型中未分类的Bacteroides丰度和Rum肠型中未分类的（Clostridiaceae/Ruminococcaceae）反应的负相关性。
3， 微生物群的反应潜力
根据上述观察，一些与反应有关的微生物组特征在不同的干预措施之间是共享的。在这方面，提出了以下假设和定义。
假设1：存在部分决定微生物组反应的微生物组标志物，无论干预类型如何。
定义1：反应潜力（Response potential）--完全由个体的初始内部微生物组特征决定的反应部分。
因此，观察到的对干预的反应是由反应潜力和干预特定成分的叠加表示的。
定义2：反应潜力的景观（Landscape of response potential）--反应潜力在分类群丰度的多维空间的分布。
假设2：在具有足够大的样本量和每个受试者一个样本的队列中，具有低反应潜力的区域将以增加样本密度为特征。
假设2是基于各态遍历性（ergodicity property），该属性用于宏观生态群落。将这一特性进一步扩展到微生物组，即在一般健康个体的成年时期，其微生物组可以以一定的概率获得与在其他个体（同一年龄段）观察到的几乎任何成分足够接近的配置。那么，像“时间平均数等于空间平均数”这样的遍历系统的特性可以解释为根据一个足够大的队列中的其他受试者的群落的相对位置先验地评估单个群落的稳定性的能力。
从假设2出发，可以根据它在多维类群丰度空间中与其他个体样本的相对位置来估计反应潜力。做到这一点的一个方法是计算一个给定的样本和来自同一肠型的相对较多的其他个体的样本之间的平均β多样性。
将反应潜力引入部分相关分析（与AGN、α多样性和B:F比率一起），探讨其与反应和基线微生物组特征的关系。在综合数据和除Bact1外的所有肠道型中，都观察到反应和反应潜力之间存在明显的正相关（图4a）。这些观察结果支持上述的假设。在与基线微生物组组成的关联中，反应潜力取代了与AGN相关的反应，但与α-多样性和B:F无关（图4a）。
图4. 微生物组反应潜力与基线微生物组组成特征和干预措施反应的关联
参考文献：
Klimenko, N.S., Odintsova, V.E., Revel-Muroz, A. et al. The hallmarks of dietary intervention-resilient gut microbiome.npj Biofilms Microbiomes 8, 77 (2022). https://doi.org/10.1038/s41522-022-00342-8 |
