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【多组学】Nat Microbiol(IF=20.5)| 750例多类型样本:揭秘太空宇航员的微生物与免疫应答

【多组学】Nat Microbiol(IF=20.5)| 750例多类型样本:揭秘太空宇航员的微生物与免疫应答 丰信生命科学
2025-04-27
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导读:杂志名称:Nature Microbiology影响因子:20.5/Q1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



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,

多组学技术的蓬勃发展,让科研人员能够从多个维度解析生命现象,挖掘隐藏在生物体内的奥秘。

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

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。



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图2 特定拭子部位的显著特征



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。




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图3 太空飞行的口腔微生物群结构

皮肤微生物组的变化主要是宏基因组层面的变化,而宏转录组数据并未发生显著变化,且一些人类皮肤上不常见的微生物如Mesorhizobium、Prevotella在宏基因组层面发生变化,提示可能由于飞行期间宇航员从其他环境中(即其他生态位)接触并获得了新微生物群但未活跃表达所致。


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。




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图4 太空飞行的皮肤微生物群和病毒结构



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。




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图5 微生物群对太空飞行的功能反应



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。




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图6 微生物通过太空舱和宇航员传播




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




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图7 与太空飞行有关的潜在免疫-微生物组关联的景观




讨论与总结



 

本文是一项历时6个月的纵向研究,对同处一密闭环境的宇航员的不同身体部位的样本,采用宏基因组学、宏转录组学以及单细胞转录组学等多组学联合的方法,从微生物种群的变化,共享菌株(微生物传播)、功能基因的变化,再到与宿主免疫细胞基因表达间的关联研究,为深入理解和保持太空环境中宇航员的健康状态提供了有力的依据。

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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








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