Nature microbiology：微生物群落的安娜·卡列尼娜原则

预测微生物对扰动的反应是微生物学的一个基本挑战。大多数关于微生物组动力学的研究都集中于研究微扰使动物微生物群从健康状态转变为非健康稳定状态的模式。

本文提出了另一种设想，即许多扰动引起的微生物变化是随机的，导致群落从稳定的群落状态过渡到不稳定的状态。结果就是动物微生物群落的“安娜·卡列尼娜原则”。

这个原则是说，与健康的个体相比，生活困难的个体在微生物群落组成上的差异更大——这印证了列夫·托尔斯泰的格言“所有幸福的家庭看起来都相似;每个不幸的家庭都各有各的不幸”。

作者认为安娜·卡列尼娜效应是动物微生物群落对应压力的一种常见而重要的反应，压力源会降低宿主或其微生物群调节群落组成的能力。从暴露在高于平均温度的受威胁的珊瑚表面，到感染艾滋病毒患者的肺部，各种系统都发现了与安娜·卡列尼娜效应一致的模式。

列夫·尼古拉耶维奇·托尔斯泰（1828.9.9－1910.11.20），19世纪中期俄国批判现实主义作家、思想家，哲学家，代表作有《战争与和平》、《安娜·卡列尼娜》、《复活》等（来自百度百科）。

安娜·卡列尼娜原则(Anna Karenina principle, AKP)最初由Diamond推广，用来阐释动物可能无法驯化的很多原因。Diamond写了一本书，就是赫赫有名的《枪炮、病菌与钢铁》，豆瓣评分8.8。

该书讲述了现代世界及其诸多不平等所以形成的原因，指出了地理和生态条件对人类历史的重大影响，否定了人种决定论（来自百度百科）。

从宿主相关微生物群落的角度来看，AKP预测某些压力源对群落组成的影响是随机的，而不是确定性的。类比过来，“所有健康的微生物群落都是相似的;而生活能力弱的菌都有其独特的存活方式”。作者认为AKP对动物微生物群的影响是普遍而重要的，而且常常与宿主健康状况的下降有关。

安娜卡列尼娜微扰原理诱导微生物群不稳定。健康的寄主拥有相对稳定的微生物群落，它们在有序空间中形成紧密的集群(左图)。各种外部压力源破坏了这种稳定性，导致更多分散的微生物群落(右图)。

Box1 AKP效应如何产生的可能假设

Sampling biases.

抽样过程中产生偏差从而产生人为的AKP效应。同样，样本间测序深度的显著差异可能产生人为的AKP效应，应该通过随机重采样至均匀深度(稀疏)来控制。

Antibiotics.

抗生素治疗可以产生个性化的结果。

Categories combining distinct biological conditions.

如果将对微生物组具有简单确定性影响的多个真实处理合并为一类，方差可能会增加。

Hidden gradients within categorical factors.

许多微生物可能对宿主参数做出反应，而宿主参数本身在特定类别的受试者中变化更大(例如肥胖患者的体重指数范围更广)。

Sampling during the transition between stable states.

时间密集采样，并且采样集中在状态之间的过渡期间会升高APK。

Increased stochastic temporal change within individuals.

环境条件的随机时间变化可能对微生物组产生更大的影响。

Anti-AKP effects.

不是所有的压力都会导致APK。一些情况反而会使得APK下降。

微扰和严重扰动产生了截然不同的影响。

A,一个环境变量可能会线性地增加某些类群的相对丰度。这种确定性的变化产生了新的样本簇(绿色和红色球体)，其分散程度与健康对照组相似。

B,微扰改变微生物群落的方式是确定的(所有箭头都指向右侧)，但改变的程度是随机的，取决于压力的程度。这产生了健康(蓝色球体)和严重压力(红色球体)的样品簇。

C,压力源以不可预测的方式改变微生物群。

下面的内容综述了AKP产生的三大原因，略过。

外源应激可诱导微生物AKP效应

研究表明在压力作用下许多与动物相关的微生物群落在落组成中表现出更大的分散性。如对酒精中毒和吸烟影响的微生物学研究都发现了微生物群落的分散。酒精中毒患者的微生物群落组成比对照组广泛得多。

宿主免疫受损可诱导AKP效应

病原菌感染可引起AKP效应

Reference

Zaneveld, J. R., R.McMinds and R. V. Thurber (2017). "Stress and stability: applying the AnnaKarenina principle to animal microbiomes." Nature Microbiology 2(9).