背景

在生物生态系统中，空间定位是我们如何理解生态群落内相互作用的核心，因为邻近的物种更有可能发展关系并影响彼此的功能。生物地理学是研究生物和环境相互作用如何影响生态系统内物种分布和多样性的学科。就像森林或其他宏观生态系统一样，肠道远不是物种和环境的同质混合物。在从整个器官到单个细胞的多个尺度上，胃肠道的不同区域和微环境承载着不同的物理和生化条件，这些条件驱动着肠道内微生物群落的组成和功能。在肠道的纵轴和横轴上，物理和化学参数 (如pH、氧浓度、流量和蠕动率)的梯度、抗菌肽 (AMPs)的存在、黏液类型和密度以及营养可用性与微生物群特定成员的生长和丰度相关。饮食、药物和其他因素驱动的肠道物理环境变化伴随着微生物群组成的变化;因此，特定的类群可能是胃肠道状况改变的生物标志物。

简介

2023年9月22日，来自加拿大康考迪亚大学的Giselle McCallum及其团队在Nat Rev Microbiol (IF: 88.1)杂志上发表名为The gut microbiota and its biogeography的研究[1]。

主要结果

胃里有一种独特的微生物群

胃是胃肠道中酸性最强的环境，其管腔内pH值对大多数细菌的生长具有高度抑制作用。在小鼠的胃中，pH值约为3-4，而在人类中，胃底内腔的pH值小于2，胃窦的pH值约为3.5 (图1b)。厚粘液层对组织功能非常重要，它在碱性更强的粘膜表面 (人体胃底的pH值约为4.8，胃窦的pH值约为5.42)和强酸性胃液之间提供了一道屏障。粘液层的pH值从粘膜表面到胃腔逐渐降低 (在啮齿类动物中测得的pH值在7.4到4.5之间)。胃腔也相当需氧(小鼠的氧分压 (pO2)~ 25 mmHg；没有人类的管腔数据)，产生强烈抗微生物的肽，与消化道的其他部分相比转运时间更快 (人类的胃排空时间约为2小时)。

图1. 在全肠尺度下胃肠道的区域生物地理特征

宿主上皮层的生物地理学

肠道上皮表面是一个异质性的景观，褶皱、绒毛和内陷被称为隐窝，形成独特的微环境 (图2)。隐窝容纳了高度活跃的干细胞，代表了一个结构和化学保护的环境。进出这些结构受到窄排入口 (~6 μm)和连续流出隐窝的流体的物理限制。在小肠隐窝中，Paneth细胞分泌隐窝素 (小鼠)或α-防御素 (人类)和其他调节定植的AMPs。位于上皮表面 (包括隐窝壁)的杯状细胞不断分泌粘液并增加其产量，以响应细菌因子和代谢产物，如脂多糖和短链脂肪酸。由于缺乏潘氏细胞，大肠隐窝有自己的特殊防御机制:结肠隐窝入口处的哨兵杯状细胞群在细菌内毒素和Toll样受体 (TLR)配体的作用下溶解释放粘液。此外，对潜在致病菌 (如大肠杆菌和肠炎沙门氏菌)具有抗菌活性的趋化因子被发现强烈定位于结肠隐窝隔室，可能有助于限制这一敏感区域的定植。

图2. 横跨肠道横轴的生物地理特征

黏液屏障的破坏

黏液层的耗竭会给宿主带来可怕的后果，正如它在IBD的应用所证明的那样，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎两种情况。总体而言，活动性溃疡性结肠炎患者的硫酸黏液水平降低，黏液层薄且可穿透，由于保护上皮的机械屏障减弱，这被认为对宿主有害。黏液耗散可能与黏液降解细菌脱硫弧菌和鲁米诺球菌的富集有关 (分别通过qPCR和宏基因组测序进行量化)，患者在与急性发作相关的生态失调发作期间。在活动性溃疡性结肠炎患者的活检外植体中，发现粘液厚度减少是由于结肠隐窝入口处缺乏前哨杯状细胞，这些细胞在细菌脂多糖的刺激下溶解。这一观察结果表明，持续的细菌接触 (可能是通过宏基因组测序发现在IBD患者的微生物群中富集的病原体)驱动了杯状细胞裂解和随后黏液层变薄的循环 (图3)。尽管人类黏液层变薄的初始触发因素尚不清楚，在小鼠肠道炎症的化学模型中发现，细菌接触先于黏液层耗竭和结肠炎症状的发作。鉴于它们能够捕捉IBD患者宿主粘膜表面的空间异质性，患者活检外植体将成为阐明细菌组织、粘液与人类胃肠道炎症和结肠炎诱因之间联系的有力工具。

图3. 炎症性肠病和炎症中的黏液层耗竭

结论及展望

生物地理学是一门研究生态系统内物种分布和多样性的学科，是我们如何在宏观尺度上理解生态系统动力学和相互作用的核心。在肠道微生物群落中，过去依赖批量测序来探索群落组成和动态，但忽略了微观相互作用影响系统水平微生物群功能及其与宿主关系的关键过程。近年来，更高分辨率的测序和新的单细胞水平数据揭示了微生物群成的惊人异质性，并使我们能够更细致地了解肠道微生物群的空间分布。在空间转录组学和单细胞成像和分析已成为哺乳动物细胞和组织生物学的关键工具的时代，其中许多技术现在正被应用于微生物群。这一研究肠道生物地理学的新方法提供了跨越时间和空间尺度的重要见解，从发现黏液包封微生物群到对整个肠道的细菌种类进行定量。在这篇综述中，我们强调了通过观察和量化多个尺度的异质性，围绕肠道生物地理学的新知识。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41579-023-00969-0

参考文献

1.McCallum Giselle,Tropini Carolina,The gut microbiota and its biogeography.[J] .Nat Rev Microbiol, 2023, undefined: undefined.

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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