研究背景
样本的选择与分析方法的运用往往决定着研究的深度与广度。传统观念里,复杂的实验设计和庞大的研究规模似乎是取得重大科研成果的必备要素,但事实真的如此吗?随着生命科学研究不断深入微观领域,各类型的样本在科研中的作用日益凸显。人体的各类组织、体液、粪便等,都各自携带了丰富且独特的生物信息,成为探索微观生物世界的有力工具。但需要注意的是,每一种样本都有其复杂性和局限性,例如采集的难度、保存的条件以及潜在的干扰因素等。尽管面临诸多挑战,合理选择和利用这些不同类型的样本,依然能为科研工作提供关键线索。与此同时,
近期发表于《Nature Microbiology》的一项研究,就为我们提供了一个绝佳范例。该研究聚焦短期航天飞行,巧妙地以 4 名宇航员的口腔、鼻腔、皮肤拭子及粪便作为样本,看似常规的实验设计,却凭借 750 个大样本量与宏基因组、宏转录组、单细胞转录组等多组学技术的巧妙结合,首次深度解析了太空飞行中宿主微生物组结构和免疫反应的变化规律。
杂志名称:Nature Microbiology
影响因子:20.5/Q1
文章题目:Longitudinal multi-omics analysis of host microbiome architecture and immune responses during short-term spaceflight
发表时间:2024年6月11日
研究团队:威尔康奈尔医学院等
关键技术:宏基因组、宏转录组、单细胞转录组
DOI:10.1038/s41564-024-01635-8
样本类型
样本类型:4名宇航员,10个不同身体部位,共750例样本
实验设计
图1 研究概况
研究结果分析
1. 短期太空飞行改变人类微生物组
研究人员对4 名宇航员在太空飞行前、中、后的 10 个身体部位进行采样,通过宏基因组和宏转录组测序分析微生物群落变化。结果显示,太空飞行导致口腔、鼻腔和皮肤微生物组发生重组,但变化时间短,在返回地球后这些变化会恢复到飞行前状态,其中,与飞行状态关联最显著的是口腔微生物。
2. 太空飞行期间和之后的细菌和病毒变化
在口腔微生物组中,研究结果显示,与蛀牙和生物膜形成相关的细菌在基因表达和丰度在飞行中或飞行后增加,如Fusobacterium hwasookii、Fusobacterium nucleatum 和Leptotrichia hofstadii。这些菌在此前已被报道过与太空飞行相关的牙龈和牙齿疾病存在关联。
皮肤微生物组中的病毒活动在飞行中大多短暂增加,包括一些潜在的人类病原体。不同身体部位的病毒变化存在差异,且病毒活动和消耗涉及针对原核生物和真核生物的病毒属。
3. 太空飞行的核心功能微生物景观
进一步分析微生物的功能基因变化,结果发现不同身体部位的微生物基因功能变化存在差异,“氨基酸运输和代谢” 类别中的基因变化最为明显。此外,口腔、鼻腔和皮肤微生物组在太空飞行期间的功能变化具有一致性,噬菌体蛋白、毒素-抗毒素系统和抗生素相关/重金属途径在所有宿主生态位中均显著增加。
4. 太空舱与机组人员之间的微生物相似性
飞行后细菌β多样性降低,表明机组人员微生物组趋于一致。通过分析微生物共享特征,发现飞行期间同一宇航员皮肤微生物组样本间共享标记基因,太空舱与不同个体间潜在共享微生物菌株数量在飞行中增加,表明同居时间对微生物迁移有影响,但由于样本低生物量,菌株共享结果需进一步验证。
5. 太空飞行微生物组变化与宿主基因表达相关
通过整合微生物组数据和宿主免疫单细胞转录组数据,发现口腔微生物组中的细菌与宿主免疫细胞基因表达存在多种潜在关系,皮肤细菌与免疫反应的关联较少,而病毒与免疫细胞表达存在一定关联,尤其是在皮肤微生物组中。此外,研究还确定了一些与宿主免疫细胞基因表达相关的微生物和微生物基因。
讨论与总结
文章信息:Tierney, B.T., Kim, J., Overbey, E.G. et al. Longitudinal multi-omics analysis of host microbiome architecture and immune responses during short-term spaceflight. Nat Microbiol 9, 1661–1675 (2024). https://doi.org/10.1038/s41564-024-01635-8
扩展阅读

