Functional Redundancy of Human Microbiome and its Implication in Fecal Microbiota Transplantation

项目总结： 共生微生物在人类生命生理和疾病中发挥着至关重要的作用。尽管它们发展迅速。 扩大对人类肠道和微生物区系组成的认识，加深了我们对微生物的认识。 生态文明原则指导着高度复杂的生态系统和动态生态系统的组装过程和弹性过程。 肠道微生物区系的生态系统还很初级。随着新技术的发展，这种知识和知识的差距变得越来越成问题。 需要修改和修改微生物区系的方法，如粪便微生物区系和移植技术(FMT)，目前正在进行中。 作为一种治疗性的干预措施，制定了一项新的研究计划的总体和目标框架，以期构建一项新的计划。 生态学框架需要进一步了解FMT在治疗复发的艰难梭菌感染病毒(RCDI)方面的疗效。 金融系统的水平。第二个中央银行假说是，第一个接收者在FMT之前的银行的主要功能和冗余度。 微生物区系可以用来预测供者的微生物区系植入的程度，也可以用来预测植入区的疗效。 FMT。作为生态学中的一个经典概念，功能冗余模型(FR)的意思是从系统发育角度分析。 互不相关的物种在不同的生态系统中发挥着相似的生物功能，以至于它们之间几乎可以互换。 对全球生态系统整体运行的影响。全球拟议的全球研究计划的主要理由是： 了解FMT在治疗RCDI疾病方面的潜在疗效，有助于将其转化为更好的理解。 它的主要疗效是治疗一系列其他与微生物群紊乱有关的疾病。由医生指导。 强劲的初步经济数据，以及中央银行假说，将通过追求三个具体的经济目标来进行检验：1)发展。 一种新的基于网络的分析方法可以对人类微生物组样本的样本内DNA进行定量。 申请人的初步测试结果表明，可以从微生物组样本的FR值中直接计算出来。 分类学研究概况，并成为基因组学内容和网络的重要参考。(2)制定一个可供研究的全球生态环境框架。 这一关系关系到一个重要微生物群落的抗性与其对新物种的抗性之间的关系。这一机制正在发挥作用。 假设是，微生物群落的样本内FFR水平越高，其抗药性就越强。 针对物种的添加，例如，通过FMT。包括生态建模/模拟和真实生物数据分析。 我们将继续进行临床试验，以进一步验证这一假说。(3)临床医学研究旨在测试FMT在临床上的疗效。 接受RCDI治疗的患者在FMT前的肠道微生物区系中有较高的FFR水平。粪便中的样本来自于接受FMT的患者。 他们各自的捐赠者名单将被收集起来，用于元基因组、全基因组和鸟枪式测序。 随后，研究了受者FMT前的微生物区系与移植物之间的关系，以及移植物的移植过程。 捐赠者特定的物种在FMT后对微生物群的影响，以及对FMT效果的影响将不会被定量评估。 分析。这种方法是一种创新的方法，因为它将重点从特定的分类体系或功能转移到一个体系。 利用网络技术和生态科学方法，提高对人类肠道和微生物群的认识水平。 提出的研究方案具有重要意义，因为它将提高我们对环境保护的基本生态原则的理解。 FMT适用于RCDI，也适用于与被破坏的微生物群相关的其他疾病。

Project Summary  Commensal  microorganisms  play  critical  roles  in  human  physiology  and  diseases.  Despite  rapidly  expanding  knowledge  of  the  composition  of  the  human  gut  microbiota,  our  understanding  of  the  ecological  principles  that  govern  the  assembly  and  resilience  of  the  highly  complex  and  dynamic  ecosystem of the gut microbiota is rudimentary. This knowledge gap becomes more problematic as new  approaches  to  modify  the  microbiota,  such  as  fecal  microbiota  transplantation  (FMT),  are  being  developed  as  therapeutic  interventions.  The  overall  objective  of  the  proposed  studies  is  to  construct  an  ecological framework to understand the efficacy of FMT in treating recurrent C. difficile infection (rCDI) at  the  systems  level.  The  central  hypothesis  is  that  the  functional  redundancy  of  the  recipient’s  pre-­FMT  microbiota  can  be  used  to  predict  the  extent  of  donor  microbiota  engraftment  and  predict  the  efficacy  of  FMT.  As  a  classical  concept  in  ecology,  functional  redundancy  (FR)  means  that  phylogenetically  unrelated  species  perform  similar  functions  in  ecosystems  so  that  they  can  be  interchanged  with  little  impact  on  the  overall  ecosystem  functioning.  The  rationale  for  the  proposed  research  is  that  understanding the efficacy of FMT in treating rCDI has the potential to translate into better understanding  of  its  efficacy  in  treating  a  variety  of  other  diseases  associated  with  disrupted  microbiomes.  Guided  by  strong preliminary data, the central hypothesis will be tested by pursuing three specific aims: 1) Develop  a  network-­based  method  to  quantify  the  within-­sample  FR  of  human  microbiome  samples.  The  applicant’s  preliminary  results  suggest  that  the  FR  of  a  microbiome  sample  can  be  calculated  from  its  taxonomic profile and a reference genomic content network. 2) Develop an ecological framework to study  the relationship between the FR of a microbial community and its resistance to new species. The working  hypothesis  is  that  the  higher  the  within-­sample  FR  of  a  microbial  community,  the  more  resistant  it  is  against species addition, e.g., through FMT. Both ecological modeling/simulations and real data analysis  will  be  performed  to  verify  this  hypothesis.  3)  Clinical  study  to  test  that  FMT  has  a  lower  efficacy  in  treating  rCDI  patients  with higher  FR  in  their  pre-­FMT  microbiota.  Stool  samples  from  the  recipients  and  their  respective  donors  will  be  collected  for  metagenomic  whole  genome  shotgun  sequencing.  Subsequently,  the  relationships  among  the  FR  of  the  recipients’  pre-­FMT  microbiota,  the  engraftment  of  donor-­specific species in the recipients’ post-­FMT microbiota, and the FMT efficacy will be quantitatively  analyzed. The approach is innovative because it shifts focus from specific taxa or functions to a systems  level  understanding  of  the  human  gut  microbiome  using  network  and  ecological  approaches.  The  proposed research is significant because it will improve our understanding on the ecological principles of  FMT for rCDI as well for other conditions associated with disrupted microbiomes.