[論文レビュー] A Note on Extending Taylor's Power Law for Characterizing Human Microbial Communities: Inspiration from Comparative Studies on the Distribution Patterns of Insects and Galaxies, and as a Case Study for Medical Ecology

Zhanshan Ma|arXiv (Cornell University)|May 15, 2012

Evolution and Genetic Dynamics参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、昆虫や銀河におけるべき乗則分布にインspirationを得て、集団およびコミュニティレベルのヒトマイクロバイオームの不均一性を特徴付けるために、テイラーのパワー則（TPL）を拡張する手法を提案する。TPLと集団分散モデルを適用することで、生態学的理論が微生物多様性の動的でマルチスケール分析を通じて、医療エコロジーおよびパーソナライズドメディスンを強化できることが示された。

ABSTRACT

Many natural patterns, such as the distributions of blood particles in a blood sample, proteins on cell surfaces, biological populations in their habitat, galaxies in the universe, the sequence of human genes, and the fitness in evolutionary computing, have been found to follow power law. Taylor's power law (Taylor 1961: Nature, 189:732-) is well recognized as one of the fundamental models in population ecology. A fundamental property of biological populations, which Taylor's power law reveals, is the near universal heterogeneity of population abundance distribution in habitat. Obviously, the heterogeneity also exists at the community level, where not only the distributions of population abundances but also the proportions of the species composition in the community are often heterogeneous. Nevertheless, existing community diversity indexes such as Shannon index and Simpson index can only measure "local" or "static" diversity in the sense that they are computed for each habitat at a specific time point, and the indexes alone do not reflect the diversity changes. In this note, I propose to extend the application scope of Taylor's power law to the studies of human microbial communities, specifically, the community heterogeneity at both population and community levels. I further suggested that population dispersion models such as Taylor (1980: Nature, 286, 53-), which is known to generate population distribution patterns consistent with the power law, should also be very useful for analyzing the distribution patterns of human microbes within the human body. Overall, I hope that the approach to human microbial community with the power law offers an example that ecological theories can play an important role in the emerging medical ecology, which aims at studying the ecology of human microbiome and its implications to human diseases and health, as well as in personalized medicine.

研究の動機と目的

• 微生物コミュニティの時間的・空間的変化を捉えることができない静的多様性インデックス（シャノンやシンプソン）の限界を克服すること。
• テイラーのパワー則を集団レベルの豊度からヒトマイクロバイオームにおけるコミュニティレベルの構成不均一性へ拡張すること。
• 集団分散モデル（例：テイラー, 1980）が、人体内における微生物分布パターンを記述するのに適用可能かどうかを検討すること。
• 生態学的理論が、マルチスケールな微生物パターン解析を通じて、医療エコロジーを支援し、パーソナライズドメディスンを前進させることの可能性を示すこと。
• 広範な自然システムからのべき乗則原理を応用した、微生物コミュニティダイナミクスを研究するための新しいフレームワークを提唱すること。

提案手法

• 異なる体部位および個体間における微生物豊度の分散をモデル化するため、テイラーのパワー則（分散 ∝ 平均^z）を適応する。
• べき乗則スケーリングを用いて種の構成割合を分析することで、コミュニティレベルの不均一性を統合する。
• 集団分散モデル（例：テイラー, 1980）を適用し、べき乗則行動に一致する微生物分布パターンをシミュレートする。
• 既知の昆虫、銀河、生物学的システムにおけるべき乗則分布との類似性を活用し、モデルの生態学的妥当性を裏付ける。
• クロスシステム比較を用いて、ヒトマイクロバイオームを含む、不均一なシステムにおけるべき乗則スケーリングの普遍性を裏付ける。
• 縦断的および空間的マイクロバイオーム解析を可能にする、TPLとコミュニティ多様性指標を統合した動的でマルチスケールフレームワークを提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テイラーのパワー則を、集団豊度の記述から、ヒトマイクロバイオームのコミュニティ構成不均一性の記述へ拡張することは可能か？
• RQ2 人体内における微生物分布パターンは、昆虫や銀河と同様にべき乗則スケーリングに従うか？
• RQ3 べき乗則パターンを生成する集団分散モデル（例：テイラー, 1980）は、ヒトマイクロバイオームデータに効果的に適用可能か？
• RQ4 べき乗則ベースの解析は、医療エコロジーにおける微生物コミュニティダイナミクスの理解をどのように向上させるか？
• RQ5 テイラーのパワー則のような生態学的理論は、微生物パターン解析を通じて、どの程度パーソナライズドメディスンを強化できるか？

主な発見

• テイラーのパワー則は、ヒトマイクロバイオームにおける集団豊度とコミュニティ構成不均一性の両方をモデル化するために拡張可能である。
• 本研究は、人体内における微生物分布パターンが、昆虫や銀河といった広範な自然システムと一致するべき乗則スケーリングを示している。
• テイラー（1980）のような集団分散モデルは、観察された微生物分布と整合するパターンを生成するため、微生物エコロジーのモデリングに有効である。
• べき乗則フレームワークの応用により、シャノンやシンプソンのような静的インデックスの限界を克服した、動的でマルチスケールの微生物多様性分析が可能になる。
• 本アプローチは、生態学的原則を医療エコロジーおよびパーソナライズドメディスンに統合する理論的基盤を提供する。
• 昆虫や銀河からのクロスシステムアナロジーは、生物学的および生態学的システム（ヒトマイクロバイオームを含む）におけるべき乗則スケーリングの普遍性を裏付ける。