微生物在地球中無處不在，隱藏在人們的面板、腸道以及土壤、河流、海洋等環境，構成一個個複雜的微生物組（microbiome）群落。它們在不同環境下與不同宿主共生互動，成為影響人類健康、疾病發展、地球生態變化的重要因素。傳統微生物組研究按照人類微生物、海洋微生物等不同棲息地分別進行研究，無法在全球視野下描述不同棲息環境中微生物群落的相互關聯。
復旦大學類腦智慧科學與技術研究院（下文簡稱“類腦研究院”）青年研究員路易斯·佩德羅·科埃略（Luis Pedro Coelho）、教授趙興明、名譽教授皮爾·伯克（Peer Bork）與來自德國、西班牙、美國、英國等多國科學家合作研究，基於全球微生物組（global microbiome)的概念，將地球上不同棲息地的微生物作為統一系統，運用人工智慧技術對1.3萬個公開宏基因組樣本進行挖掘，構建了迄今為止最全面的全球微生物基因目錄（GMGC，Global Microbial Gene Catalog），為全球微生物組研究邁出了重要一步。該研究同時發現，大多數基因具有棲息地特異性，跨越多棲息地的基因主要富集在抗生素耐藥性基因和移動遺傳元件。
北京時間2021年12月16日凌晨，相關研究成果《原核生物基因的生物地理學研究》（“Towards the biogeography of prokaryotic genes”）以長文（Article）形式發表於《自然》（Nature）主刊。科埃略是論文的第一作者和共同通訊作者。該研究得到了歐盟“地平線2020”創新計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市“腦與類腦智慧基礎轉化應用研究”市級科技重大專項等專案的資助。
構建迄今為止最全面的全球微生物基因目錄
基因目錄對於描述微生物群落的物種組成和功能特性具有重要意義。自2010年歐洲分子生物學實驗室（EMBL）和華大基因構建首個人類腸道微生物基因目錄以來，新興的微生物基因目錄為研究人類生理學和疾病提供了重要線索。
全球微生物基因目錄（GMGC，Global Microbial Gene Catalog）涵蓋了腸道、口腔、面板、海洋、土壤等 14 個微生物的主要棲息地，收集了 13,174 個公開可用的高質量宏基因組和84，029個高質量的基因組，得到了包含3.03億個物種級的基因（95%的核酸一致性聚類），構建了迄今為止最全面的全球微生物基因目錄（圖1），將為地球生態研究和人類健康研究提供重要貢獻。
從1.3萬個宏基因組樣本和近10萬個細菌基因組中構建的包含3億個原核生物基因的全球微生物基因目錄。(a) 全球微生物基因目錄構建流程；（b）不同棲息地之間的unigenes的共享；（c）unigene累計曲線；（d）unigenes 數量的分佈
揭示微生物基因與棲息環境的重要關聯
物種水平的單基因簇（unigene）可能代表著來自多種棲息地的基因（multi-habitat genes）。多棲息地基因可能來自在多種棲息環境中都生存的物種，或者來自基因組之間或者跨越棲息地邊界水平轉移的移動遺傳原件（mobile elements）。研究發現，大多數基因都是棲息環境特異性的，這與微生物傾向於適應環境的特性是一致的；只有5.8%物種水平的單基因簇是多棲息環境基因，多棲息環境基因主要富集在抗生素耐藥性基因和移動遺傳原件。
不同棲息地共享的微生物物種。（a）不同棲息地共享的宏基因組物種；（b）不同棲息地物種間共享的unigene比例；（c）不同棲息地物種間蛋白功能集團共享情況；（d）不同棲息地物種間蛋白質家族的共享情況。
研究者們進一步研究了宏基因組中單基因簇的頻率，發現大多數單基因簇是出現頻率低於0.1%的罕見基因。單基因簇的頻率服從中性（或接近中性）進化假設下的冪律分佈（power law）。事實上，雖然觀察到很多變異，但大多數變異並不是對環境的適應，而是由所謂的“中性進化”驅動：變異只是隨機的結果，而不是達爾文選擇。
這些發現對於理解抗生素抗性的產生，以及未來抗菌藥物的研發具有重要的意義。
多學科交融的國際化研究團隊
復旦大學類腦研究院生物醫學人工智慧團隊聚焦於人工智慧與生物醫學交叉研究，自2018年以來引進一批國內外優秀學者。團隊擁有計算機、數學、生物、物理等不同學科背景，交叉融合，國際化氛圍濃厚。近年來，圍繞生物醫學大資料的特點，發展了一系列人工智慧演算法，已成功應用於腦-腸軸、腦發育和腦疾病等場景中，相關工作發表於《自然》（Nature）、《科學》（Science）、《細胞》（Cell）、《細胞·新陳代謝》（Cell Metabolism）、《電氣與電子工程師協會·模式分析與機器智慧》（IEEE TPAMI）和《自然·通訊》（Nature Communications）等期刊，2020年，團隊獲吳文俊人工智慧自然科學一等獎。
時任復旦大學副校長金力院士為皮爾·伯克教授頒發名譽教授證書，圖中左三為金力校長、右四為馮建峰院長、左四為伯克教授、左二為趙興明教授、右三為科埃略
論文第一作者科埃略於2018年全職加入復旦，此前專注於利用宏基因組及顯微影象技術對微生物群體進行分析。進入復旦類腦研究院工作以來，他發現，這是一個跨學科交融、國際化程度很高的大團隊，同事中有三分之一來自不同國家，他與研究院生物大資料團隊、計算生物學團隊等多個研究組合作交流，參與計算神經科學與類腦智慧教育部重點實驗室建設，作為課題骨幹參與多個生物醫學大資料、腦科學與類腦研究等重大研究計劃，聚焦利用大資料的方法從事微生物組及精準醫學等相關研究。
作為類腦研究院生物醫學人工智慧團隊的負責人，趙興明教授介紹，前沿科學越來越突破學科界限，需要全域視野和全球視野。本研究構建了一個全球視域下的微生物基因目錄，對於理解微生物與人類健康的關係具有重要的作用。下一步，團隊還將基於所開發的基因目錄，進一步與國內外科研院所和臨床醫療開展合作，探究微生物包括人體腸道微生物與人類生命大健康、大腦認知和行為等方面的影響。
論文連結
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04233-4
來 源
類腦智慧科學與技術研究院
文 字
潘少軍、賈龍豪
制 圖
曹丹青
責 編
汪禎儀
編 輯
劉怡然
