Science | 宏基因组揭示肠道微生物组成及多样性的标志

题目：Population-based metagenomics analysisreveals markers for gut microbiome composition and diversity

期刊：Science， 2016

IF：37.205

1.研究背景

人类肠道菌群在维生素、酶和其它能够调节免疫系统复合物的产生中具有重要作用。肠道菌群对宿主有着十分重要的作用，并且其组成非常复杂，同时也会受到宿主本身和环境因素的影响，不同个体之间的菌群组成也具有很大的差异，这使得研究单一因素与菌群差异的关系非常困难。本研究使用一种系统性的宏基因组关联分析方法，对1179个荷兰志愿者肠道菌群与207个外在和内在因素之间的关系进行了研究，揭示出一组影响菌群组成和功能变化的因素。

2.研究方法

 样本选取：在3月-8月时间内收集1179名荷兰北部普通人的粪便(-80℃保存），并检测3种粪便生化指标（钙网蛋白、人β防御素2 和嗜铬粒蛋白A）、6种血浆细胞因子和血浆瓜氨酸水平。

分组信息：按照不同的因素将207个影响菌群的因素分为5组：41个宿主内在因素、39种至少发生5次的疾病类型、5种吸烟状况、78种饮食方式和44中至少5个个体的服药种类。

 测序方法： HiSeq 2000、3.0Gb数据量（32.3 million reads）

3.研究结果

1.通过1179个样本的宏基因组测序并进行物种分析发现，与16S rDNA测序的物种分析结果对比，宏基因组测序在种水平注释出了更多的物种，而在科和属水平，注释出的物种较少。

宏基因组和16S测序  分别在界水平可以注释到细菌、真菌、病毒、古菌四大类和细菌和古菌两类，在门水平分别有20、32个分类，在纲水平分别有31、74个分类，在目水平分别有47、123个分类，在科水平分别有102、203个分类，在属水平分别有220、259个分类，在中水平分别有632、57个分类。

图1：宏基因组测序（左）和16SrDNA测序（右）分析得到的物种组成分类树

2.通过研究门水平top3的优势物种，进行主坐标（PCoA）分析，表明不同样品间物种组成的多样性。Shannon指数、基因富集分布和直系同源簇富集分布的分析，表明这三个分布具有显著差异。

图2 个体间微生物组成的差异和功能描述

3.将207个影响因素与微生物组成多样性、基因丰度和直系同源簇富集分布关联分析得到126个与个体微生物组成差异相关的因素（Bray-Curtis 距离），90%的因素与个体微生物组成差异的相关性在16S rDNA测序数据中得到验证。此外还有35个因素与shannon多样性指数相关，的因素与个体微生物组成差异的相关性在16S rDNA测序数据中得到验证; 31个因素与基因丰度有关和34个与COG富集有关。我们看到不同的多样性和丰富度分析之间有很大的重叠，其中大多数也与构图距离有关。

图3A 与肠道菌群个体差异性相关的因素

 图3B 与肠道菌群个体差异性相关的因素在16S rDNA测序数据中的重复

（A）宏基因组测序揭示出126个与个体肠道菌群组成差异相关的因素；

（B）这些因素在16SrDNA测序数据中的重复

4.研究发现钙卫蛋白和嗜铬粒蛋白等分泌蛋白余微生物多样性和功能丰度等最相关；并且在126个与个体肠道菌群组成差异相关的因素中，嗜铬粒蛋白A与个体间物种多样性、基因和基因同源簇富集的相关性最强；低浓度CgA与更高的物种多样性和功能丰度个高密度脂蛋白（HDL）及摄入的水果和蔬菜相关；高浓度嗜铬粒蛋白A与高水平钙卫蛋白、高血糖浓度的甘油三酯、高粪便频率、软性粪便类型和肠易激综合症相关；揭示出61个物种与嗜铬粒蛋白A浓度具有专一性的关联，这些物种占所有微生物丰度的53%，并具有40个MetaCyc途径，占通路分布的34.6%。其中与CgA关联最强的物种为古菌属甲烷复合菌；拟杆菌门中的24个种与CgA呈负相关。

图4. 嗜铬粒蛋白A浓度与物种多样性、其它影响物种多样性因素及物种丰度之间的关系

（A） 个体间微生物属水平的PCoA分析；

（B）嗜铬粒蛋白A与其它因素之间的相关性（FDR＜1）；

（C）与嗜铬粒蛋白A相关微生物的分类树；

（D）与嗜铬粒蛋白A具有专一性关联的微生物在种水平的分类树。

4.研究结论

1. 揭示出人肠道菌群与各种各样的内在、环境、饮食、药物摄入和疾病类型因素之间具有显著性关系，并且大部分关系能够在宏基因组和16S rDNA测序数据中得到验证；

2. 嗜铬粒蛋白A（CgA）与61种微生物具有专一性的关联，这些微生物占肠道菌群组成的53%；

3. 具有较低嗜铬粒蛋白A浓度的病人肠道菌群差异性更大。
研究亮点：由于肠道菌群组成非常复杂，本文采用宏基因组关联性分析，探究了207种宿主内在和外在因素对菌群组成和多样性的影响，解决了传统方法中将不同因素独立分析的难点。研究揭示出嗜铬粒蛋白A（CgA）可作为衡量肠道健康的潜在生物标志物。

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