摘要：人类微生物组可在个体间传播，影响感染性和非感染性疾病的易感性与严重程度，但呼吸道微生物组的传播机制尚缺乏系统研究。本研究通过对来自武汉市13个行政区的1046名健康城市居民的口咽拭子进行宏基因组分析，发现口咽微生物组具有明显的可传播性。地理因素对微生物组的差异

研究论文

● 期刊：Microbiome(IF:13.8)

● DOI：

● 原文链接:

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-025-02107-9#Sec2

● 第一作者：Lili Ren(任丽丽), Jing Yang (杨景), Yan Xiao(肖艳), Li Guo(郭丽)

● 通讯作者：Jianwei Wang(王健伟)(wangjw28@163.com), Mingkun Li(李明锟)(limk@big.ac.cn)

● 发表日期：2025-5-06

摘要Abstract

人类微生物组可在个体间传播，影响感染性和非感染性疾病的易感性与严重程度，但呼吸道微生物组的传播机制尚缺乏系统研究。本研究通过对来自武汉市13个行政区的1046名健康城市居民的口咽拭子进行宏基因组分析，发现口咽微生物组具有明显的可传播性。地理因素对微生物组的差异影响最大，同一城区的非亲属个体之间微生物组更为相似。共同居住者，尤其是配偶和兄弟姐妹之间，表现出更高的菌株共享率，而母婴之间未发现垂直传播的证据。此外，口咽微生物组中存在多种抗生素抗性基因，其中15%与可移动遗传元件或质粒相关，提示这些抗性基因可能在不同微生物之间发生水平传播。研究结果揭示了口咽微生物及抗性基因的传播特征，对理解呼吸道健康及公共卫生管理具有重要意义。

背景Background

上呼吸道黏膜定植着多种细菌、真菌、病毒和古菌，构成了呼吸道微生物组，在维护呼吸系统健康、防御病原体入侵中发挥关键作用。口咽部作为呼吸道的重要组成部位，其微生物组成已被发现与新冠、流感等病毒的易感性和疾病严重程度存在关联。研究显示，口咽微生物组成受分娩方式、生活方式、吸烟、年龄及空气污染等多种因素影响。目前的尚缺乏在物种和菌株水平系统揭示呼吸道微生物组传播模式的研究，同时健康人群呼吸道抗生素抗性基因的组成及其传播机制仍缺乏研究。

近期，国家生物信息中心李明锟团队、中国医学科学院病原生物学研究所王健伟、任丽丽团队合作在《Microbiome》发表了研究论文“Transmission of the human respiratory microbiome and antibiotic resistance genes in healthy populations”，该研究基于1046名健康城市居民的口咽拭子样本，利用高分辨率宏基因组技术，系统探讨了呼吸道微生物在家庭和社区中的传播特征。结果发现，地理位置是口咽微生物组成差异的主要决定因素，同一地区居民之间的微生物组相似性及菌株共享率显著高于不同地区人群。家庭成员间，尤其是配偶和兄弟姐妹，呈现更高的微生物丰度相似性和菌株共享率，而母婴间未发现明显的垂直传播证据。此外，口咽微生物中存在多样的抗生素抗性基因，其中部分位于移动遗传元件附近，提示呼吸道微生物之间可能存在抗性基因的水平转移。

结果Results

1.样本与测序数据概览

我们从中国武汉市13个行政区的1046名参与者中采集了口咽（OP）拭子样本（图1A）。其中，289名参与者来自111个共同居住的家庭，每户包含2至5人。所有参与者在采样前一个月内均无呼吸道症状。采集了人口学、环境暴露和健康状况等信息。空气污染物（NO2、PM1、PM2.5和PM10）暴露数据来自中国高分辨率空气污染数据集。对所有样本及99个阴性对照（NC）进行了宏基因组测序。OP样本中人源DNA序列的中位比例为83.3%（四分位距：66.1% - 91.5%）。OP样本经质量控制后的读段数中位值为2,144,301（四分位距：910,656 - 5,028,742）。除污染序列及文库批次效应后，共保留244个在至少一个样本中相对丰度超过1%的物种用于后续分析。

2.口咽微生物组的组成及其相关因素

在超过95%的个体中，相对丰度超过0.1%的优势微生物包括：Neisseria subflava、Prevotella intermedia、Prevotella melaninogenica、Haemophilus parainfluenzae、Schaalia odontolytica、Veillonella atypica、Veillonella dispar、Veillonella parvula、Campylobacter concisus、Fusobacterium nucleatum、Myoviridae sp. 和 Siphoviridae sp.，这些物种共占据了微生物reads的43.2%（四分位距：36.4%–50.4%）（图1B）。共在603个样本中检测到444种抗性基因（ARGs），涵盖抗大环内酯-林可胺-链霉素（MLS）、多药抗性、β-内酰胺类、四环素类、氟喹诺酮类和氨基糖苷类的抗性。此外，在632个样本中发现1941个毒力因子（VFs），其中与免疫调节相关的毒力因子最为常见，可能帮助共生菌适应宿主免疫环境并在口咽部位定殖。值得注意的是，ARGs数量与VFs数量呈显著正相关（Spearman’s ρ = 0.47，p

基于距离的冗余分析（dbRDA）显示，地理区域是口咽微生物组变异的最大解释因子，其次为职业、年龄、吸烟状态和NO₂浓度，这些因素均能解释至少一种微生物组成超过0.5%的变异（图1C）。各行政区间的微生物组组成显著不同，其中汉阳区和汉南区与其他地区差异最大（p

图1 | 口咽微生物组的组成及其相关因素

3.共同居住者拥有相似的口咽微生物组

我们发现，共同居住的参与者在微生物组成、功能通路以及抗性基因（ARGs）组成方面更加相似（图2A），其中配偶之间的相似性在所有家庭关系中最高（图2B）。在共同居住者之间，42种微生物物种、59条代谢通路、14种ARGs和4种毒力因子的相对丰度表现出显著正相关（图2C，补充表3），提示这些特征可能通过居住在一起的人群之间进行传播。这些特征包括共生菌（如N. subflava和P. melaninogenica）、机会致病菌（如F. nucleatum、T. denticola和S. pneumoniae）、丙酮酸发酵通路（PWY-5100），以及10种可能对四环素类抗生素产生抗性的ARGs。相比之下，在非共同居住的个体配对中未检测到类似的相关性，且共同居住者之间的相关系数显著高于从等数量的非共同居住个体中计算出的相关系数（p

图2 | 共同居住者拥有相似的口咽微生物组

4.共同居住者之间的口咽微生物传播

我们进一步从菌株层面调查了共同居住者之间微生物传播的潜力。总体而言，共同居住者之间的基因型距离显著低于非共同居住者配对（p

通过应用物种特异的汉明距离阈值来定义相同菌株，我们在家庭内识别了116个假定的传播事件（共享菌株）。对于至少有五个可比较物种的共同居住配对，菌株传播率（STR）中位数为16.7%（IQR 0.0%-33.3%），显著高于非共同居住配对的0.0%（IQR 0.0%-11.1%）（p

有趣的是，本研究中口咽中相同物种的传播率与口腔（唾液样本）的传播率呈正相关（图3E）。此外，我们发现微生物的传播与其丰度无关，而同一属内的物种更倾向于一起传播。这可能是因为同一属内的物种倾向于定植于相邻的生态位，促进共同传播，或者是由于物种的分辨率有限，同一物种被错误分配到不同的物种分类中。

同一物种的基因型距离在不同家庭关系之间有所不同，兄弟姐妹和配偶之间的相似性最高（图3F）。配偶之间也表现出最高比例的假定微生物传播，其次是兄弟姐妹和父母与孩子之间的关系（图3G）。值得注意的是，父母与孩子之间相同物种的基因型距离低于无关非共同居住配对之间的距离。然而，无论孩子的年龄如何，父母与孩子之间的基因型距离没有显著差异，这表明没有强有力的证据支持微生物的垂直传播。

图3 | 共同居住者之间的口咽微生物传播

5.口咽微生物群是抗生素抗性基因（ARGs）的储库，具有水平转移潜力

通过序列组装，我们在906个样本中识别出6208个携带抗生素抗性基因（ARGs）的contigs（ACCs）。其中，4827个ACCs来自872个样本，且这些ACCs的中位长度为4886个碱基对（IQR 2360-11353bp）。首先，我们发现许多物种携带多个ARGs，并且大多数ARGs在不同物种之间共享（图4A）。例如，最丰富的ARGs是赋予MLS抗性（大环内酯、氯霉素和链霉素抗性），这些抗性基因在大多数呼吸道共生菌和机会性致病菌（如肺炎链球菌S. pneumoniae）中都有检测到。四环素抗性基因在Prevotella和Rothia物种中被发现，而β-内酰胺抗性基因主要在Neisseria、Prevotella、Capnocytophaga中被识别。在机会性致病菌中，S. pneumoniae（肺炎链球菌）携带的ARGs数量最多，包括对MLS类抗生素、氨基糖苷类抗生素和β-内酰胺抗生素的抗性。这一观察结果不太可能因为S. pneumoniae的测序reads数多，因为其相对丰度与其他细菌相当（图4B）。

ARGs可以通过与移动遗传元件（MGEs）共同转移，或位于质粒上，在不同微生物之间传播。我们发现15.0%的ACCs包含在ARGs上下游5000个碱基对内的MGEs，或者这些ACCs来源于质粒。我们识别出Tn916作为最常见的与ARGs相邻的MGE（41.1%），其次是转座酶（18.6%）、qacEdelta（12.4%）、整合酶（12.0%）和tnp-ISCR（7.8%）。这一发现突显了Tn916作为可能促进ARGs在口咽微生物群中传播的主要元件。与MGEs关联的ARGs（推测更具流动性）在更广泛的微生物宿主中被检测到（图4C），这表明MGEs可能促进了ARGs在口咽微生物中的水平传播。β-内酰胺抗性基因中，31.2%与MGEs或质粒相关联，展示了最高的转移潜力。这与报告表明β-内酰胺抗性基因最常与水平基因转移事件相关的报导一致。这些与MGE相关的ARGs主要出现在P. melaninogenica、P. intermedia和C. sputigena的基因组中。氨基糖苷类抗性基因是第二大相关的ARGs，25.0%与MGEs相关联，主要由S. pneumoniae携带（图S7B）。

最广泛分布的MGE-ARG配对是MLS抗性基因mefA和msrD与共轭转座子Tn916的结合（Tn916-mefA-msrD），在5个属的20个物种中发现，由来自8个地区的30个无关个体携带（图4D）。第二广泛分布的MGE-ARG配对是氨基糖苷抗性基因aac(6')-aph(2'')，前面有一个TnpA基因（TnpA -aac(6')-aph(2'')），在8个属的9个物种中发现，由来自11个地区的33个无关个体携带。此外，我们观察到，与没有MGE的基因簇相比，Tn916-mefA-msrD或TnpA-aac(6')-aph(2'')基因簇相邻区域在不同物种之间具有更高的序列相似性，这些区域可能与保守的ARGs一起传播（图4E），这表明可能在物种之间发生MGE介导的ARGs水平转移。

图4 | 口咽抗生素抗性基因的水平基因转移

总结Conclusions

该研究提供了健康人群口咽微生物组及其功能基因的高分辨率谱图，识别了与口咽微生物组相关的人口学、环境和临床因素。我们的研究结果表明，直接暴露于外部环境的口咽微生物组受外界因素的影响。此外，口咽微生物组可以在共同居住者之间传播，特别是在有密切接触的人群中。抗生素抗性基因可以在不同微生物之间转移，这可能会影响呼吸道免疫稳态、对感染性或非感染性疾病的易感性，以及抗生素治疗的效果。

作者简介

中国医学科学院病原生物所任丽丽研究员、国家生物信息中心博士生杨景和中国医学科学院病原生物所肖艳、郭丽研究员为本文的共同第一作者，国家生物信息中心李明锟研究员和中国医学科学院病原生物所王健伟研究员为本文的共同通讯作者。

李明锟(通讯作者)

中国科学院,国家生物信息中心研究员、博士生导师，长期致力于高通量测序数据深度挖掘与基因组变异及进化分析。研究方向包括：临床宏基因组技术研发，人体微生物组特征及其与营养、疾病关联，病原微生物基因组变异与演化分析。

王健伟(通讯作者)

中国医学科学院,北京协和医学院,中国疾病预防控制中心研究员，博士生导师。国家基金委杰青、创新群体负责人，长江学者，中国医学科学院学部委员。长期致力于呼吸道感染致病机制和应用策略研究。

宏基因组推荐

1月10-12日，单菌基因组组装、注释、遗传表征、分子分型、系统进化和传播溯源

2月21-23日，家系、肿瘤临床基因组/外显子组数据分析

3月21-23日，高级转录组分析和R语言数据可视化

3月28-30日，第二届全国基因组信息学大会

4月11-13日，微生物组-扩增子16S分析

5月11-13日，微生物组-宏基因组分析

本公众号现全面开放投稿，希望文章作者讲出自己的科研故事，分享论文的精华与亮点。

投稿请联系小编（-genomics）

iMeta高引文章 fastp 复杂热图 ggtree 绘图imageGP 网络iNAP

iMeta网页工具 代谢组MetOrigin 美吉云乳酸化预测DeepKla

iMeta综述 肠菌菌群 植物菌群 口腔菌群 蛋白质结构预测

10000+：菌群分析 宝宝与猫狗 梅毒狂想曲 提DNA发Nature

为鼓励读者交流快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”讨论群，已有国内外6000+ 科研人员加入。请添加主编微信meta-genomics带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。高级职称请注明身份，另有海内外微生物PI群供大佬合作交流。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍未解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

来源：微生物组