翻译：菠萝斯基

原文作者：Alban Mathieu

原文：《The future of skin metagenomics》

出自杂志：Research in Microbiology 165 (2014) 69-76

续接上文

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6、人类皮肤分类目录的输出

基于rrs基因的方法在皮肤微生物组中得到应用，使人们更好地了解皮肤微生物的细菌成员，以及其在个体和人体部位之间的差异性。例如，宏基因组学方法将细菌群落结构与婴儿的分娩方式相关联。顺产婴儿的皮肤微生物组分与母亲的阴道微生物组分相似，而剖腹产婴儿的皮肤微生物组分更接近于母亲的皮肤微生物组分。在婴儿时期，一系列不同的微生物群落模式在不同身体部位上，会在大约一年后逐渐形成的特定微生物群落结构。虽然，从婴儿时期到成年时期的皮肤微生物组分类学进化的实际数据仍然很少，但这种波动可能会随着时间推移而减少，直到青少年时期。

所有抽取样本（“核心”微生物组）中检测到的微生物数量都相对较少，且依赖于所研究的皮肤部位。干燥和湿润的部位比分泌脂质的部位在个体之间表现出更多的分类学差异。已知最干燥的皮肤部位上拥有最小的核心微生物组：例如，在（干燥的）前臂上检测到的91种微生物中，只有6.6% 的微生物是在其他六个个体中也存在的。有研究发现，人类手部上的细菌群落具有很强的个体特异性，这使得科学家能够在270只不同的手上当中识别出电脑鼠标的主人。还使得一些作者建议将手部微生物群落用于法医鉴定。

越来越多的研究试图将人类皮肤微生物组的多样性与性别、种族和个人生活方式相关的不同参数联系起来。最近一项研究已证实，在美洲印第安人和美国居民之间就有一个重要的区别。洗漱和其他卫生习惯会影响皮肤微生态的结构。性别和洗漱习惯的影响无法区分，因为它们是相互关联的，但在有化妆习惯的人群中，我们可以发现其微生物多样性明显增加了。集体运动也可能是不同个体之间发生微生物传播的一种来源方式。在《 Significant changes in the skin microbiome mediated by the sport of roller derby Peer 》的报道中，介绍了比赛结束后，与比赛前相比，参赛的轮滑队伍的皮肤微生物群落有更强的相似度。

7、疾病中的微生物

分类学的宏基因组学方法也可应用于皮肤病中，目前的目标是确定是否存在可能导致疾病的某些细菌或特定的群落结构。该方法将银屑病的病变与以厚壁菌门（Firmicutes ）细菌为主的微生物群落进行关联。在患者或者健康个体之间的健康皮肤部位进行比较，发现这种分类学的转换与放线菌（Actinobacteria）的比例显著下降有关。有特异性皮炎（AD）的皮肤，其细菌多样性有明显的改变，而已经接受治疗的皮肤则产生出和健康皮肤几乎一样多样化的微生物群。最近有报道称，与皮肤表面检测到的细菌数量相比，使伤口重新着色的细菌数量更接近角质层内层的细菌数量。

8、皮肤微生物群的功能特性

从宏基因组学的角度来看，对寄居在皮肤上的细菌种群进行分类鉴定，这对于了解它们的生活方式和复杂的关系来说，未必是最有前景意义的信息。除了核糖体或者其他标记基因，基因所表达的功能和活性就决定了它们对这些微环境的特异性适应。若利用适当的生物信息学工具对皮肤微生物宏基因组进行测序和分析，以提供的基因注释来完成各种细菌基因组的汇编数据，从而获得细菌的功能潜力。

理想情况下，这种宏基因组方法必须通过元（宏）转录组学研究来完成，以便确定被检测到的那些基因组中有哪些基因在皮肤定植期间的不同时间段中会被表达。在皮肤上，低丰度微生物的存在可能是显著的，正如《 The skin microbiome: current perspectives and future challenges 》所提出的；它们可能会对免疫系统或对占优势的细菌产生影响。然而，想对低丰度微生物进行皮肤宏基因组学和元（宏）转录组学的分析却是困难的，因为它需要对低密度和表面积相对较小的细菌结合体进行取样。这就解释了为什么致力于分析皮肤微生物功能潜力的研究会很少。

然而，大量的序列数据已经并将在人类微生物组项目（HMP）的框架内被产生。岂止至今，由于需要足够的微生物群落大小来产生高通量测序所需的DNA数量，所以这些已发表的数据仅限于耳后折痕（ retroauricular crease ）和比较不同个体之间的特定微生物群落。通过对所获得的功能数据和相关元数据进行分析，发现体质量指数与皮肤微生物群落中表达的两种功能（赖氨酸生物合成和硫酸盐转运）之间存在相关性。

然而，在皮肤其他部位上的细菌浓度要低得多，这就可以解释为了解决微生物群落的功能潜力而需要开发替代方法的合理性。这其中就可能包括MDA法，这种方法可以从被稀释的模板液中扩增整个基因。然而，这种方法受到放大偏差的强烈影响，可能不被认为是一种可接受的替代方法。

另一种方法是通过比较参考基因组的序列，从分类学的分配中推断功能数据。然而，考虑到菌株之间甚至连其关键功能（如碳源或氧浓度的依赖性）也会发生变化，因此后面这种方法也受到了非常大的质疑。一个分类群（即使在属或种类级别内）内的基因组多样性太大了，无法根据细菌种属系统地推断其功能，反之亦然。例如，只有一些与皮肤痤疮共生的菌种与痤疮紊乱有关，因此这也就证明了基于分类标准进行功能分配的危险性。

在最近的一篇文献中，我们考虑了将从不同身体部位提取的几种DNA溶液融合起来，以增加所提取的细菌DNA数量的可能性。这种方法利用了高通量测序技术的潜力，通过与其他人或环境生态系统进行比较，从而开始探索皮肤微生物群落的功能潜力。然而，为了满足454个测序的DNA要求，并排除所有的身体部位特异性的探索，这就需要从两个人体的不同皮肤部位上反复提取细胞（每2天提取一次，持续1周），直到细胞池收集了足够多的细胞数量。

另一方面，尽管其DNA提取方案、测序技术和测序深度是如此的不同，但这种方法提供了足够的DNA数量，使得我们可以对这些皮肤微生物进行测序，并与其他环境中用鸟枪法所得的宏基因组测序结果进行对比。《 Metagenomic mining for microbiologists. 》中采用了这种具有比较性的宏基因组学方法，报道了与光合作用或二甲磺基丙酸二甲酯（dimethylsulfoniopropionate ，DMSP）降解基因相关的序列在海洋宏基因组中更为常见，而与碳水化合物代谢相关的序列在人类肠道宏基因组中更为常见。应用于皮肤数据集时，这种跨环境比较方法则更加突出了皮肤微生物群的功能特征。例如，分析结果指出了皮肤微生物组对一些碳源的特异性，如皮肤脂质中发现的甘油三酯或汗液中发现的乳酸。

与其他情况相比，丁二醛发酵和精氨酸脱氨酶途径相关的基因和通路在皮肤宏基因组中更为常见。这些功能通常会于生活在酸性环境中的细菌基因组中被表达，以便维持可接受的酸性水平。尽管（以上所提到的）这两个人最近没有接受过任何的抗生素治疗，但在皮肤数据集中也发现了一些抗生素耐药基因。这一结果也证实了在自然生态系统中观察到ARGD的广泛传播与皮肤共生细菌有关联。

高通量测序新方法论的发展，其特别之处在于，可以从减少的DNA模板数量中获得读数的增加，这将有助于解决以下关于皮肤微生物功能潜力的关键问题：除了使用脂质成分的能力之外，哪些功能可以解释在皮脂腺中那些特定细菌的存在和限制了细菌多样性的原因是什么？哪些共同或互补的功能可以解释在潮湿环境中葡萄球菌和棒状杆菌这类细菌的适应潜力？个体之间的差异性是由皮脂或激素分泌的差异，或主要组织相容性复合体（HMC）活性的差异来解释的吗？鸟枪测序法还可以用来研究各种人类生活方式的因素，包括饮食、压力、工作和习惯，并通过选择更适应环境的生物体来研究其是如何影响细菌多样性的。

9、疾病的功能表征

对银屑病和特异性皮炎（AD）相关的皮肤微生物研究也有望带来具有批判性意义的新见解。抗菌治疗有助于减轻症状，但是显性病原体的缺乏似乎与作为病理原因的细菌介入所相矛盾。特异性皮炎（AD）的抗菌治疗有助于微生物分类学的重建，但如果不考虑与银屑病/特异性皮炎相对的健康皮肤上细菌所表达的功能，就无法有效解决所观察到现象的因果关系这一基本问题。

10、未来的展望

有了新的测序技术就能处理从各个部位所提取得来的少量DNA样板，包括只能通过活组织切片检查才能达到的皮肤最深层部位。这些技术上的改进有望带来相当大的进展，从而能更好地了解微生物组是如何适应宿主的，相反地，皮肤条件又是如何在分类和功能上调节皮肤微生物群落的。

这些在最初的研究中所收集到的数据已经证明了某些基因（或它们的细菌宿主）可能被当作是健康和/或者是病理状态的生物标记，并被用于评估治疗效果和化妆品功效。针对特定的皮肤分类成分，通过接种“皮肤”益生菌，就可能使得这种精准皮肤治疗可以直接地帮助保护皮肤抵抗紫外线（UV）的侵害。同样地，靶向治疗可以目的性地减少不那么有益的细菌的数量，或者通过破坏群体感应调节的基因表达来降低它们的毒性。

特定的功能也可以是有针对性的，就像甘油三酯可以来治疗鱼鳞病，而鱼鳞病的特点就是人体缺乏了脂肪酸酶类。另一个目标可能是与皮肤酸度调节有关的机制，这是美容和健康的一个关键因素。在技术优先上，部分或全部微生物的移植可行性在应用于人类肠道除外的皮肤环境时，其难度会小得多。因为人类肠道中包含的微生物组被认为是第二种人类基因组。而用益生菌来治疗皮肤（第三种人类基因组的位置）的风险很可能会小于治疗消化道，因为控制位于人体与其外部环境交界处的生态系统不仅更容易接近，还更便于监测。

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