摘要：为探究肠道微生物种内遗传变异与宿主健康的关系，研究人员分析 32152 个全球样本的宏基因组。发现菌株地理分层与水平传播有关，微生物系统发育与多种人类表型相关。这有助于理解肠道微生物对健康的影响。
生物通
2025年05月07日 12:05广东
为探究肠道微生物种内遗传变异与宿主健康的关系，研究人员分析 32152 个全球样本的宏基因组。发现菌株地理分层与水平传播有关，微生物系统发育与多种人类表型相关。这有助于理解肠道微生物对健康的影响。
在人体的肠道中，存在着一个神秘而庞大的微生物世界，它们与人体健康息息相关。过去的研究虽然揭示了微生物与健康的一些联系，但对于肠道微生物种内的遗传变异，人们了解得还远远不够。一方面，以往研究多关注微生物相对丰度与健康的关系，却忽视了种内遗传变异的重要性；另一方面，研究种内遗传变异需要高分辨率的技术和大量样本，这也增加了研究的难度。因此，深入探究肠道微生物种内遗传变异与宿主健康的关系迫在眉睫。
来自荷兰格罗宁根大学、意大利特伦托大学等机构的研究人员开展了一项大规模的研究。他们分析了来自全球 94 项微生物组研究的 32152 个宏基因组，旨在揭开肠道微生物种内遗传多样性的奥秘。研究发现，微生物菌株的地理分布存在差异，且与水平传播相关；同时，微生物的系统发育与多种人类表型，如年龄、疾病等密切相关。这一研究成果发表在《Cell》杂志上，为理解肠道微生物与人类健康的关系提供了新的视角，有助于推动个性化医疗和微生物疗法的发展。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：一是宏基因组分析技术，对大量样本的宏基因组进行测序和分析，获取微生物的遗传信息；二是系统发育树重建技术，利用 StrainPhlAn 4 等工具构建微生物的系统发育树，研究菌株间的进化关系；三是关联分析方法，通过拟合系统发育广义线性混合模型（PGLMM），探究微生物系统发育与人类表型之间的关联。研究使用的样本队列来源广泛，涵盖了 42 个国家、6 大洲的个体，这些样本来自 94 项不同的研究。
下面来详细看看具体的研究结果：
1660 种全球微生物系统发育的重建：研究人员评估了 32152 个肠道宏基因组样本，主要来自欧洲（65%）。利用 StrainPhlAn 4 重建了 1660 个物种水平基因组箱（SGBs）的系统发育树，最终聚焦于 583 个至少有 300 个样本的 SGBs 进行分析。通过多种方法验证，确保了研究方法的准确性和稳健性。种内遗传距离与宿主地理距离相关：分析发现，583 个 SGBs 中有 456 个的地理距离与系统发育距离存在显著关联。如 Eubacterium ventriosum、Lachnospiraceae 物种和 Ruminococcus torques 等都表现出明显的地理特异性，而 Alistipes onderdonkii 的地理分层则不明显。此外，Lachnospiraceae 科的 SGBs 地理效应更高。地理分层与微生物水平传播率相关：研究发现 11 种微生物表型与地理分层有关，且水平传播率高的 SGBs 地理效应较小。通过计算菌株共享事件，发现 SGBs 的传播率在 0% - 8.2% 之间，中位数为 2.3%，验证了高传播率的菌株地理分层不明显的假设。系统发育与人类表型的关联：通过 PGLMM 分析，研究人员发现了 484 个全球关联，涉及 54 种表型和 272 种 SGBs，其中 80 个关联在多个大洲重现。这些关联涵盖了人体测量因素、疾病、生活方式等多个方面。确认生命早期存在三种长双歧杆菌亚种：在人体测量因素的关联中，年龄与 SGBs 种内多样性关联最密切。对长双歧杆菌的分析确认了婴儿期存在三种亚种，且它们与不同的碳水化合物活性酶（CAZymes）相关，适应婴儿饮食的转变。老年亚洲和欧洲个体中富集的 Ruminococcus gnavus 分支：研究发现 Ruminococcus gnavus 的一个分支在亚洲和欧洲的老年个体中富集，且与胆汁酸代谢有关。通过对相关样本的分析，发现该分支与两种未结合的初级胆汁酸水平相关，并且其代谢相关基因存在差异。黑色素瘤和前列腺癌患者中肠道微生物种内系统发育信号：研究发现 37 种 SGBs 的菌株水平系统发育与人类疾病相关，如 Collinsella aerofaciens 与黑色素瘤、前列腺癌等多种疾病相关。对相关样本的进一步分析发现，虽然该菌的特定分支在不同癌症患者中富集，但与临床结果和睾酮水平似乎并无关联。研究结论和讨论部分指出，该研究在全球范围内揭示了人类肠道微生物组在菌株水平的遗传变异。微生物菌株存在地理变异，其系统发育与地理距离和宿主特征相关，且这些关联大多由小分支驱动。此外，一些与特定宿主表型相关的肠道微生物分支可在不同研究和地区重现。然而，该研究也存在一定局限性，如无法推断因果关系，分析聚焦于优势菌株，部分表型数据缺失等。尽管如此，这项研究仍具有重要意义，它为后续研究提供了大量可验证的假设，鼓励进一步开展更大样本量的研究，以深入了解肠道微生物与健康和疾病的关系，探索疾病相关分支的代谢能力，为未来的个性化医疗和微生物疗法奠定了基础。
参考文献
Global genetic structure of human gut microbiome species is related to geographic location and host health
来源：营养和医学