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肠道菌群具有重要的遗传多样性，而肠道的特定空间特征或许会在环境中塑造其进化过程。近日一篇发表在国际杂志PNAS上题为“Hydrodynamic flow and concentration gradients in the gut enhance neutral bacterial diversity”的研究报告中，来自欧洲分子生物学实验室等机构的科学家们通过研究提出了一种肠道菌群多样性和进化新模型，其或能帮助揭示肠道环境如何帮助中性突变变得普遍，这对于人类机体健康和代谢性疾病具有非常重要的潜在意义。
图片来源：DOI:10.1073/pnas.2108671119研究者Anne-Florence Bitbol说道，我们常常认为进化或许是一种非常缓慢的过程，而对于大型哺乳动物而言，这的确是一个事实。但病毒的进化速度非常之快，正如SARS-CoV-2变异毒株向我们展示的那样，细菌往往会在中间尺度上进化，而那些存在于机体肠道中的细菌也能在与我们相关的尺度上进化。肠道菌群的突变和进化会以一种重要的方式影响公众健康，一个很明显的例子就是抗生素耐药性，因此，很多研究都重点分析了影响肠道菌群进化的因素，而有些研究则关注了肠道的结构，包括其流体动力学特征等，其会导致食物和细菌浓度出现不同的梯度变化。如今研究人员开发了一种肠道细菌突变和进化的微小模型，其能帮助解释肠道内部流动如何影响基因库的分布情况。研究者指出，肠道的特定空间结构（连同流体力学和浓度梯度）或能大大增加中性突变达到高比例并最终接管群体的可能性。这些中性突变是指发生细菌经历了对其生长率没有影响的突变，或者至少在其整个细菌群体的背景下是可以忽略不计的。由于肠道环境会明显增加中性突变的预期平均比例，因此其还会增加最终接管群体的能力（相比一种标准的混合良好群体而言），因此，肠道的特定环境增强中性细菌的多样性。但是肠道中中性突变的普遍性意味着什么？其意味着随机出现的更大一部分突变或许能达到重要的分数，而并不是迅速消亡，这或许就会增加肠道菌群的多样性以及其适应环境改变的能力，而且由于肠道菌群的组成会影响机体的代谢，其或许对于代谢也有着间接的影响。相关研究结果对于科学家们如何治疗诸如炎性肠病等代谢性疾病具有非常重要的意义。关键的一点在于，研究者所预测的肠道菌群的多样性和适应性的增加或许与结肠中存在的食物和细菌浓度的强烈梯度密切相关。而且小肠中的细菌浓度要比结肠中低很多，因此在结肠的入口处就会存在大量的食物和较少的细菌。图片来源：https://www./content/119/1/e2108671119但在肠道的更远处，细菌已经摄入食物且开始繁殖，所以食物会显得更少，但细菌群落会更多。如果这些梯度减弱的话，研究者所开发的模型预测的多样性也会变弱，如果肠道中的流速发生了变化或者肠道肌肉的收缩变得更强或更弱的话就会发生这种情况，因此这或许就与诸如炎性肠病等代谢性疾病之间存在一定的关联，而理解这些影响效应或许有望帮助改善人类相关疾病的治疗。目前研究人员正在进一步深入研究来回答上述问题。截止目前为止，研究人员一直在研究中性突变体，但调查有益突变体（能增加生长率）和有害突变体（能降低生长率）或许是非常有意思的，因为其能提供一张更加完整的图片来揭示肠道空间结构对肠道菌群进化的影响效应。而为了逐步提高模型的真实性，后期还需要更多事情去做。本文研究结果或能通过引入一种活性群体来合理化，而这种活性群体包括能主动消耗食物和分裂的细菌群落，活性群体的规模或许会产生肠道内中性突变固定概率的有效群体规模。Darka Labavić,Claude Loverdo,Anne-Florence Bitbol. Hydrodynamic flow and concentration gradients in the gut enhance neutral bacterial diversity, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2108671119
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