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格莱斯顿研究所

概要：

研究人员开发了一种新的计算方法来识别可能对帮助微生物在人体肠道中成功生存的重要基因。

数以万亿微小的微生物和细菌存在于你的肠道中，每个都有自己的一组基因。这些肠道微生物可以对您的健康产生有益和有害的影响，从保护您免受炎症到导致危及生命的感染。为了阻止病原体并促进有益微生物的生长，科学家一直在努力寻找靶向特定微生物基因的方法。

Katherine Pollard博士是这些科学家之一。她在格拉德斯通研究所的团队有兴趣更好地了解微生物如何在肠道中定殖。他们想要找出帮助微生物通过胃部恶劣环境并在胃肠道下部存活的基因。

“到目前为止，这并非易事，”格拉德斯通数据科学与生物技术研究所的高级研究员和主任Pollard解释道。“肠道中的大多数微生物都是从相关物种进化而来的，因此它们共享许多共同的基因。很难找出实际影响微生物在肠道环境中存活能力的基因。”

由Pollard实验室博士后学者Patrick Bradley领导的科学期刊“PLOS计算生物学”发表的一项新研究发现了一种新方法，用于鉴定可能对帮助微生物在人体肠道中成功生存的重要基因。

一种旧方法揭示了新的见解

使用传统的实验方法很难研究人体定植的微生物，而不仅仅是因为它们的数量庞大。鉴于科学家缺乏在实验室中种植和研究许多微生物物种的工具，识别他们的基因是劳动和时间密集型的。

新的计算方法和DNA测序提供了一种解决方案，可以确定人体肠道中通常存在哪些微生物，以及微生物基因组中的基因。然而，格拉德斯通的研究人员表明，仅仅观察肠道微生物共有的基因，而不考虑微生物的共同祖先，可能会导致许多错误的发现。

为了避免类似的陷阱，他们找到了解决这个问题的新方法。布拉德利采用了一种称为系统发育线性模型的技术，该技术经常用于生态学，但很少用于基因组学。

“通过这种方法，我们使用来自进化树的信息来描绘不同物种之间的历史关系，”布拉德利解释说。“我们是第一个直接将这种方法应用于宏基因组数据的人，这些数据来自人体内存在的微生物的集体遗传物质。”

该团队使用这种方法分析工业化国家数百人的公共数据。因此，布拉德利和波拉德在肠道中发现了数千种不同物种的基因。他们还寻找并发现了微生物中的基因，这些基因在肠道中比在身体的其他部位更普遍，这表明这些基因可能特定于这种环境。研究人员相信，他们发现的基因可以帮助微生物定殖肠道，例如，让微生物在酸性环境中生存，例如胃。

此外，科学家们使用相同的技术来比较健康与疾病中的肠道微生物。他们发现与细菌相关的基因在克罗恩病患者中比在健康患者中更普遍。

“在克罗恩病中，一些具有抗炎特性的细菌似乎已经耗尽，”布拉德利说。“如果我们能够识别出能够特别改善克罗恩病患者肠道定植的基因，那么我们就可以通过设计新型抗炎菌来帮助治疗患者，这些抗炎菌在这种环境中能够更好地存活。”

改善肠道健康的第一步

Pollard和Bradley开发的新计算方法可以促进新疗法的开发，以维持或改善肠道健康。

“如果我们想要针对个体微生物基因，我们首先需要了解它们在肠道定植中所起的作用，”波拉德说，他也是加州大学旧金山分校的教授和Chan Zuckerberg Biohub研究员。“这可能会产生设计更好的益生菌或防止有害病原体如艰难梭菌侵入肠道的机会。”

该方法利用了许多领域的思想，包括生物信息学，微生物生态学和进化，生物化学，生物统计学以及人类微生物组的研究。它还可以用于鉴定除人类肠道之外的其他环境中与微生物相关的基因。

“我们的研究表明，通过使用解释微生物之间进化关系的方法，我们可以预测在特定环境中可能比标准模型允许的更重要的基因，”布拉德利说。“我们希望其他科学家能够意识到，通过使用我们的方法，他们可以从已有的数据中获得更多。”

Pollard和Bradley现在正致力于开发一种网络工具，允许其他学者 - 特别是那些可能没有所需内部专业知识的湿实验室生物学家 - 上传他们自己的数据并使用这种新的计算技术来获得有用的结果。

劳伦斯伯克利国家实验室环境基因组学和系统生物学部的Stephen Nayfach也参与了这项研究。该研究由国家科学基金会，戈登和贝蒂摩尔基金会以及格拉德斯通研究所资助。