生态网络理论应用到人类微生物组

文摘

在健康的人类,许多微生物协会构成丰富的生态系统与数十数百种,细调到功能与人类健康有关。医疗干预措施,改变生活方式,有时正常的生活节奏打乱了平衡微生物生态系统,促进病原体入侵或引起其他临床相关问题。某些疾病,如细菌性阴道炎,正是这种社会病因。数学网络理论是理想的研究相互作用的物种的生态网络组成人类微生物组。理论网络要求小财团特定数据提供洞察都正常和不正常的微生物群落功能,但它很容易把额外的经验数据,因为它变得可用。我们认为,了解一些疾病,如细菌性阴道炎,需要转变的重点从单个细菌(数学)网络交互的数量,和已知的涌现性这些网络将提供见解,否则将难以捉摸。

1。介绍

与人体相关的正常微生物群对人类发展有重要影响,生理、免疫、和营养1- - - - - -6]。同桌的社区和共生细菌与人体组成的第一道防御感染竞争力不包括入侵nonindigenous生物体引起疾病。尽管其重要性,令人惊讶的是居民社区的构成是知之甚少,他们如何在不同个人主机或主机环境,或营养等生态关系组成成员的相互依赖关系。即便如此,人类相关的社区可能会像那些其他栖息地在至少四个至关重要的方法。首先,自然微生物群落往往是多样化的物种组成和生理方面的潜力。第二,通过系统能量流和营养微生物生理学的基本原则,从而导致营养网的存在。第三,营养相互依赖关系中存在的“槽”,各种维生素、氨基酸及其他辅助因子。第四,生态位都占领了一个相对稳定的社区组成。有了这些信息,你可以开始假设如何外部力量(例如,入侵物种nonindigenous微生物、病原体等)或治疗(例如,抗生素的管理或主机饮食)的变化会影响微生物群落的物种组成和功能构成人类微生物组。

微生物群落可以视为数学网络结构特点,反映了网络开发和预测扰动的响应。在本文中,我们将介绍基本的数学基础网络和简要总结一下他们的一些重要的结构属性。这种方法对于理解人类微生物组的微生物群落确实很投机,很大程度上是因为缺乏知识社区的组成和物种在人类微生物组的相互作用。即便如此,它是基于越来越多的研究在不断发展的网络和可能构成一个有用的概念框架,了解这些社区帮助维持人类健康和干扰的群落结构和功能如何增加对感染性疾病的易感性。说明人类微生物生态网络的重要性,我们将描述人类阴道微生物群的生物学以及干扰这些社区可能占临床综合征称为细菌性阴道炎。

2。阴道微生物的共生关系

人类的阴道和驻留在其中的细菌群落,形成一个平衡互惠协会。先前的研究表明,土著细菌种群起到关键作用在防止“不良”的入侵生物,包括那些负责细菌性阴道炎,酵母感染、性传播疾病、尿路感染(7- - - - - -12]。从历史上看,乳酸杆菌被认为是生育年龄妇女的阴道社区的关键物种,优势种的感觉和在某种意义上成为最大的物种对阴道的生态系统的影响。这些微生物对宿主产生乳酸发酵产品,在环境中积累,降低pH值4.5 ~ (13]。而广泛的其他物种,阴道细菌社区的成员,其生态功能在很大程度上是未知的,是物种的总数。主机提供好处的微生物群落细菌生长提供所需的所有营养支持。这是明显的重要性由于细菌不断因阴道分泌物从身体,和细菌生长必须发生,以补充他们的数量。一些来自脱落细胞所需的营养,而另一些则从腺体分泌物。令人惊讶的是,精确的成分和各成分的浓度是知之甚少,这是一个重要的知识差距。然而,数据表明,有各种阴道分泌物的蛋白质和碳水化合物,以及尿素、K +、Na +, Cl−[14),似乎各种氨基酸、肽和单糖也存在。主机和细菌种群之间的共生关系似乎是互利共生,每个物种都受益于另一方的存在。(需要注意的是,细菌种类的人类微生物组通常被称为共生的细菌,这意味着只有一个协会成员的利益而另一种是不受影响。在许多情况下,即使不是全部,这可能是一个不正确的描述之间的生态关系的两个成员)。

3所示。细菌性阴道炎的病因:一种疾病与社会骚乱

细菌性阴道炎(BV)是一种综合症,通常被认为是干扰微生物群落(15]尽管它通常是诊断的基础上发生的三个以下四个条件:(一)均匀,白色附着阴道分泌物;(b)阴道pH > 4.5;(c)显微镜检测“线索细胞”;和(d)胺的存在气味在KOH与阴道分泌物(16]。密集的努力确定病因代理人到目前为止已经成功,有人建议,扰乱了社区本身也许可以解释观察到的症状。

BV对女性健康有重要影响。BV在生育年龄女性的患病率从29%的美国人口调查超过50%在乌干达农村17]。它已经与早产的风险增加有关,妊娠前三个月流产女性接受体外受精,绒毛膜羊膜炎,子宫内膜炎,盆腔炎(PID) (18- - - - - -23]。此外,BV增加收购的风险淋病奈瑟氏菌和其他性传播疾病(11,24)包括艾滋病毒(8,25]。

从历史上看,BV与贫化的数量有关乳酸菌种虫害和阴道的pH值升高26,27]。然而,这个简单的观点受到了挑战28)最近的调查结果显示,许多正常的阴道社区和健康的白人,黑人,和日本女性缺乏可观的数量乳酸菌spp。,而是包括其他类群的乳酸生产细菌(实验室)29日,30.]。这有两个重要的启示意义。首先,一个重要的生态效益低的host-maintenance阴道ph值保存在个人女人,尽管微生物群落的物种组成可以有所不同。这是共识的观点一致,阴道环境pH值较低是一个关键机制保护主机不受潜在的病原体。第二,改变物种组成的因素,细菌种群的生理活动,或整个社区功能(减少当地环境的pH值),可能会导致与BV相关的症状。

先前的研究已经证实,几个不同的种类的阴道社区发生在白人和黑人妇女在北美(29日,30.在日本东京,日本女性(周,2008;未发表)。因为阴道细菌社区不同物种组成(30.- - - - - -33),他们可能在他们如何应对不同的障碍,和生态平衡的破坏可能会增加风险传染性病原体的入侵。概念上这很重要,因为阴道社区不断体验各种各样的慢性和急性障碍如使用抗生素和激素类避孕药,性交,冲洗,月经和许多其他人。

4所示。网络的方法来理解人类阴道微生物

通过类比与其他生态系统中的微生物群落,我们假设存在一个复杂的食物网中物种阴道细菌社区的成员,和各种人群发生在不同的营养水平。考虑到资源池是不同的(如上所述),物种组成合理的项目,表示生理特征,和类型的阴道细菌种群的营养相互依赖关系深受阴道中可用的各种营养。这意味着主机特征可能是一个重要的微生物生态系统的“司机”,而微生物群落成员分层,这样一个或多个人口的主要消费者,而其他人使用他们的代谢物,等等。结果是一个“网络”,反映了流动的能量和营养物质通过生态系统的配置和优势生态交互确定社区的稳定和恢复力。这样的网络通常被称为微生物营养网(图1)。

异化的微生物营养网几个物种专攻分解更大、更复杂的有机分子分解成更小的分子(34,102页)。这些专家可能需要援助其他物种。可能会有更多的途径(和微生物物种)能够代谢这些较小的分子,还有其他物种消费产生的代谢物。如果发生完全矿化碳源,那么二氧化碳产生,但在缺乏合适的终端电子受体,发酵产品(如乳酸)在环境中积累。

一些人口异化的财团可能次要角色规范的发展和功能财团的其他人群。例如,一个人口可能产生生长因子,如氨基酸、多肽、或使用维生素,和有时需要其他人群增长。事实上,乳酸杆菌是出了名的挑剔,有复杂的营养需求35- - - - - -37]。这种营养槽代表一个“积极的反馈回路。”相比之下,各种小分子扰乱膜功能,抗生素,和bacteriocidal蛋白(38)构成“负面反馈循环。“这些正面和负面反馈循环在管理中发挥作用的大小不同的细菌种类及其活动。理解这样一个复杂的网络,一个很可能必须采用系统方法如下面描述(39]。

因为可能有很少专家物种微生物营养网的底部,装配规则可能被优先效应的强烈影响。优先效应(40,247页)是一个物种的影响施加在另一个是否能忍受在一个环境中,通过简单的存在。装配规则描述物种的顺序往往占据的栖息地。例如,第一个物种在微生物生态系统,专门异化主要营养或营养可能会确定哪些新的营养然后可用,从而限制其他物种可以成功殖民生境与坚持。

5。网络的数学表示

人类微生物组的微生物营养网是一个更一般的抽象结构的实例:数学网络。在生态、营养网通常是可视化为节点图代表个别物种由直接连接边缘表明谁依赖谁的营养。这些网有时被称作“食物链”,与隐性假设是谁吃谁的关系。Predatory-prey关系存在生命的尺度。但宏观和微生物营养比单独捕食关系更加丰富。例如,物种相互作用通常涉及槽,每个物种获得营养,抑制增长或化合物,是由其他物种。在微生物系统中,这些间接产品是分子,而在macrobial系统可能会更大。

节点和边的集合如用于可视化营养网数学网络的实例。一个有用的特征这一数学抽象是其普遍适用性。任何的“个人”和“关系”可以表示和分析网络,无论个人或关系的详细信息。特别是,网络不仅限于营养网。

最简单的数学网络显示只有两个节点是否连接的边缘通过设置相应的“相邻”项为1或0;因此,设置为1,如果我个人连接j个人,和为0,如果他们不联系。这些网络经常总结了邻接矩阵的任期中出现的我th行和j列。这些连接时无向矩阵是对称的,也就是说(视觉,反映了矩阵主对角线穿过树叶不变)。可以代表其他两个人之间的关系,让信息矩阵的条目是数字0和1(图2)。例如,一个生态网络可以对应于一个微分方程描述生态系统物种相互作用在哪里是物种的内在增长率我和是“效应”的物种j在物种我。在这里,一个矩阵描述的交互是= ()的实数。例如,如果我是一个猎物物种和j捕食者,我们会和(图3)。食物网是特殊情况下的生态网络交互都是食肉动物的捕食者-猎物类型一个营养级从低水平(图捕食猎物1)。

它能极难获得营养的信息交互(特别是互动优势)在现实生态网络。然而,它变得更容易收集定量数据对网络高通量测序技术的发展和复杂的计算生物学算法。例如,随着越来越多的基因组注释可用时,就容易形成假设潜在的代谢途径。令人鼓舞的是,基因组注释、比较基因组学、催化和假设的途径重建,每个提高其他人的准确性和效率。这样积极的反馈,我们预计它将会变得越来越容易准确参数化网络模型。

令人惊讶的是,然而,一个不需要精确的参数在一个抽象的网络中,由于网络结构就可以告诉一个很大的系统,它代表。重要的一个特征在所有网络链接的数量或每个节点的连通性,这当然变化从一个节点到另一个网络内(41]。例如,许多自然网络的属性是“自由,”意思是,没有单一的特征的网络连通性。在免费的网络规模,大多数节点连接到少量的其他节点,和一个小的节点数量作为“中心”,他们是许多节点连接。免费的网络规模通常是健壮的随机选择的节点的删除,但可以暴力中心节点删除时不稳定。非常真实的方式,这些中心是类似于生物关键物种的生态系统。当人口规模或活动关键物种的改变,或物种完全移除,戏剧性的变化发生在所有其他物种的品种和人口密度的社区。

甚至可以学到很多与准确的图形拓扑和广泛的经验参数。理论家构造人工网络与不同类型的装配规则,逆向工程自然网络的抽象。这门学科已经被恰当地称为复杂网络的统计力学42]。

值得注意的是,两个信息属性始终摆脱这种模拟。首先,在真实和模拟生态网络发现一个“很多人弱,但很少有人强”模式在大多数,但不是全部,物种相互作用弱。具体来说,平均交互强度(平均' s)倍根号每节点的平均数量的边缘,往往收敛于一个常数随时间(43- - - - - -45]。第二个“紧急”属性是网络倾向于发展,他们在不稳定的边缘,在某种意义上效率最高时的优势。灭绝事件在一个生态网络,通过“自然”是指或人为删除节点,通常导致偶尔雪崩的二次物种灭绝(43,46]。事实上,这就是“许多疲弱,一些强大的“模式来自:大多数物种的灭绝有轻微影响,而删除那些强连通的物种可以破坏整个生态系统的稳定,导致一连串的灭绝。这种不稳定性本质上源自“成功”的互动中形成发展网络,例如,合作联盟。这种相互依赖关系在合作最终会导致不稳定,因为打扰任何一个物种的财团可以影响很多人。

这些特性的自组织原则,透露自己在许多自然和模拟网络。这表明进化网络的研究可以使一个预测微生物生态系统的行为,即使没有量化所有物种之间的相互作用的细节在一个复杂的生态网络。研究人类微生物组的复杂的社区时,很少在哪里知道,这是一个很大的优势。

理论的应用网络建模真实生态网络到目前为止一直主要集中在试图捕捉观察网络的特点。快速增长的原因之一,网络理论是特定的粗粒度的惊人的规律“拓扑”属性出现在真正的生态和社会和技术网络。这些属性,这取决于网络的全局特征如链接的数量、连接性,等等,出现在这样一个各种各样的设置,它是自然的,试图想出简单模型,会产生相同的特性。因此,出现静态和动态模型,复制一些真实网络的拓扑属性(44,45,47,48]。作为一个移动到多个细粒度属性(如度分布)或寻求建立预测模型,然而,一个人必须越来越多地依赖于动态模型,进行更详细的系统。大多数研究真正的生态网络限制食物网中所有物种的捕食者-猎物类型之间的联系。

的一个例子将模型应用于真正的网络是在试图理解一个生态系统的稳定性灭绝或其他干扰。一些模型预测稳定或不稳定的基于网络的连通性。例如,自由财产规模中观察到许多真实的食物网带有稳定的预测在移除/弱连接物种灭绝而成高度不稳定的雪崩二级灭绝时为数不多的高度连接的物种。有局限性,但是,我们目前的理解稳定性分析一直以来限制和模型缺乏一些细节可能发挥重要作用。

6。总结

我们都认为数学网络提供了一个系统级的方法来描述微生物和微生物相互作用,这可能提高描述的财团在人类微生物组相关疾病病因、诊断和治疗。网络可以捕获特定的生物信息,比如如何通过微生物的物种营养流财团。生态原则应用于此类microbiome-specific网络可能会限制微生物将如何应对外来物种或据称良性的干扰,如抗生素治疗。此外,网络结构有时足以表明一个财团可能已经进化或识别关键物种,即使互动优势没有被量化。这详细数据时尤其有用成分和物种相互作用的一个财团是不可用。简而言之,对于一些人类疾病,如细菌性阴道炎,它可能是更有用的检查森林,而不是树。

确认

这个项目是由国家卫生研究院批准号P20 RR016448图计划的国家研究资源中心和UO1 AI070921 LJF。内容是完全的责任作者和不一定代表NIH的官方观点。作者宣称没有利益冲突。

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