The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome

发表期刊：cell       

影响因子：41.582

实验对象：338名受试者，2个时间点取样（间隔4年）

实验内容：粪便宏基因组＆血浆非靶向代谢组学＆临床数据记录

探究问题：

（1）哪些细菌特征既具有个体特异性又具有时间稳定性？是否可以用这些细菌特征作为「指纹」来区分不同人的样本？

（2）哪些细菌特征随时间变化较大？它们随时间的变化是否与宿主的临床表型有关？

（3）人类肠道微生物群中抗生素耐药性和毒力因子的变化情况。

结果

1. 肠道微生物多样性和组成的时间变化

通过α多样性指数分析，发现个体间的微生物种类和多样性的差异大于个体内的差异，表明个体肠道微生物组成与4年前更相似，支持微生物群落多样性趋向于更稳定的假说。

图  肠道微生物组成的长期变化

2. 微生物遗传稳定性在物种间存在差异

通过分析个体间以及个体内（两个时间点）SNP单倍型以及SV来研究微生物基因组随时间的变化。在这两个时间点上，发现至少5个配对样本中出现了37个物种的SNP单倍型差异，此外还有41个微生物物种中发现6130个SVs。经过比较发现，SNP和SVs的个体内遗传差异显著小于不同个体间的差异。稳定的和可变的微生物组成和遗传成分可能有不同的含义:单个稳定的微生物组成可能用于识别它们的宿主，而可变的微生物组成可能与宿主的表型变化有关。

图    微生物物种SNP和SV的变化

3. 肠道微生物可用于识别其宿主

研究者观察到一些物种，如M. smithii，它们的基因组在个体间的变异很大，但在个体内的差异很小，借助微生物这一特征可以用来区分不同个体样本。研究者通过不同组合的测试，发现可以使用 71 个特征组合使分类准确率达到最高，其AUC可达 95%。在HMP中验证了该方法的准确性，可高达95%。

图 肠道微生物在人类宿主指纹识别中的表现

4. 与宿主表型相关的微生物组变化

为了研究肠道微生物在宿主中的作用，研究人员对微生物组成、基因组和宿主表型三者之间的联系进行分析。结果表明，169个微生物特征和34个表型之间共存在显著相关性，其中，体重指数、血压、糖化血红蛋白和抑郁是相关性最大的表型。

图 表型和肠道微生物群组成、基因组之间的关联

5. 微生物组变化与血浆代谢物相关

为了进一步研究肠道微生物是如何影响宿主的病理生理，研究者假设代谢物是宿主-微生物相互作用的重要环节。对两个时间点的血浆样本进行非靶向分析，发现有27%的代谢物在两个时间点之间有显著差异。将差异代谢物与菌群变化、微生物丰度和 SVs 的变化进行关联分析。发现15种代谢物与2个不同的菌株群有关（F. prausnitzii），当F. prausnitzii在菌株1和菌株2之前转换时，这些代谢产物的丰度在随之上升和下降。表明不同的微生物菌株可能有不同的功能，潜在影响宿主的代谢。并且研究者们 122种微生物特征 (物种、丰度和 SVs) 与81种代谢产物之间共检测到455个显著关联的特征。

图   prausnitzii Faecalibacterium替换与血浆代谢物改变相关 图  血浆代谢产物变化与肠道微生物群的相关性

6. 肠道微生物通过代谢物影响宿主表型

为了评估代谢物是否能介导微生物对宿主表型的影响，研究者采用双向中介分析鉴定到21种中介连接，这些连接大部分与微生物对血压的影响有关，它们通过代谢物硫胺素和乙酰基- n -甲酰基-5-甲氧基嘌呤胺对宿主血压造成影响。还发现了微生物对血脂和葡萄糖水平影响的几种代谢物中介效应。

图  肠道微生物群、代谢物和表型之间的联系

7. 微生物抗生素耐药性显著增加

研究者们系统的评估了29个抗生素耐药基因和59个毒力基因的丰度随时间的变化，发现总抗生素耐药基因丰度变大，毒力基因总数下降。在16种抗生素耐药性基因中，有15种基因的丰度有所增加，此结果引起了人们对抗生素使用的担忧，这可能会导致人类肠道生态系统中微生物抗生素耐药性的传播。

图 抗生素耐药基因和毒力因子的长期变化

总之，本研究通过对233名受试者进行宏基因组和代谢组学测序分析，发现部分微生物具有个体特异性以及稳定性，可以作为“指纹”来鉴别其宿主，两个时间点差异比较大的细菌通过代谢物影响其宿主的病理生理。