Cell客戶案例解析：迄今最大規(guī)模的腸道真菌研究

腸道真菌是人體微生物組的重要組成部分，對(duì)人體健康影響重大，但相對(duì)于腸道細(xì)菌群，我們對(duì)腸道真菌的了解尚在初始階段。在過(guò)去的十年中，腸道菌群研究囿于真菌18S rRNA或 ITS測(cè)序，雖取得了一系列進(jìn)展，但大家對(duì)人類腸道真菌的遺傳和功能變異的理解依舊缺乏，其中一個(gè)主要的原因就是缺少全面的腸道真菌參考基因組。

2024年5月，大連醫(yī)科大學(xué)馬驍馳團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所及北京林業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在Cell上在線發(fā)表了題為“A genomic compendium of cultivated human gut fungi characterizes the gut mycobiome and its relevance to common diseases”的研究論文，通過(guò)大規(guī)模人類腸道真菌培養(yǎng)測(cè)序，建立了迄今為止最大的人類培養(yǎng)腸道真菌參考基因組目錄，展示了腸道真菌的分類和功能多樣性以及代謝潛力，確定了腸道真菌組組成中與常見(jiàn)疾病相關(guān)的顯著變異，并通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)了真菌特征與炎癥性腸病(IBD)之間的關(guān)聯(lián)。這些新發(fā)現(xiàn)和珍貴資源極大地豐富了我們對(duì)人類腸道菌群的生物多樣性和疾病相關(guān)性的理解。（麥特繪譜提供Q300全定量代謝組檢測(cè)服務(wù)）

一、文章梗概

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二、分析結(jié)果

1. 構(gòu)建人類腸道真菌基因組目錄（CGF）

從135名健康人群的糞便樣本中培養(yǎng)出12453個(gè)真菌分離株，經(jīng)全基因組測(cè)序，共組裝出760個(gè)基因組，涵蓋206個(gè)菌種，其中69個(gè)為首次被鑒定到。這份基因組測(cè)序結(jié)果被命名為“人類培養(yǎng)腸道真菌目錄（CGF）”。進(jìn)一步將CGF與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中來(lái)自呼吸道、消化道、泌尿生殖道和皮膚的人類真菌菌株進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)僅存在32個(gè)共有菌株，說(shuō)明CGF極大地?cái)U(kuò)展了可利用的培養(yǎng)腸道真菌種類的數(shù)量。

人類腸道培養(yǎng)的206種真菌的全基因組系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)

2. CGF的功能基因注釋及分析

隨后對(duì)CGF的蛋白質(zhì)編碼基因進(jìn)行聚類，得到643,717個(gè)非冗余蛋白質(zhì)簇，其中約有77%未在呼吸道/消化道中檢出過(guò)，該結(jié)果顯著增加了人類腸道真菌的蛋白質(zhì)序列。

功能注釋表明，基于eggNOG注釋的主坐標(biāo)(PCoA)分析可將四個(gè)真菌亞門(mén)：毛霉菌亞門(mén)(Mucoromycota)、盤(pán)菌亞門(mén)(Pezizomycotina)、酵母菌亞門(mén)(Saccharomycotina)和擔(dān)子菌亞門(mén)(Basidiomycota)清晰地分離；基于KEGG的注釋則表明，糖酵解、三羧酸循環(huán)、脂肪酸生物合成和核苷酸代謝等核心代謝途徑在所有物種中基本完整。

但進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，在eggNOG和KEGG圖譜中，有76.2%和33.8%的直系同源蛋白簇僅由四個(gè)亞門(mén)中的某一個(gè)特異性表達(dá)，如：毛霉菌亞門(mén)特異性表達(dá)遺傳信息處理、細(xì)胞過(guò)程和信號(hào)通路的物質(zhì)，而盤(pán)菌亞門(mén)的特異性物質(zhì)則富集于次級(jí)代謝和氨基酸和碳水化合物的運(yùn)輸/代謝中，這體現(xiàn)了腸道真菌之間的高度特異性。

CGF的功能基因概況

在真菌對(duì)人類腸道環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)過(guò)程中，參與多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等底物降解及次生代謝物合成的功能基因發(fā)揮著重要作用，因此對(duì)這類基因作著重分析。

在發(fā)酵性底物降解酶層面，共鑒定出532,809個(gè)碳水化合物活性酶（CAZymes），其中盤(pán)菌亞門(mén)表達(dá)了大量的植物細(xì)胞壁降解酶 (PCWDE)，說(shuō)明它們?cè)诜纸庵参锒嗵欠矫姘l(fā)揮了積極作用。另外，也分別檢測(cè)到了 225,078 個(gè)蛋白酶基因和 188,425 個(gè)脂肪酶基因，功能富集分析表明，盤(pán)菌亞門(mén)在脂質(zhì)代謝能力方面比其他亞門(mén)更高，而酵母菌亞門(mén)表現(xiàn)出顯著的蛋白酶能力。

在次生代謝物基因?qū)用妫�共鑒定到22,762個(gè)次級(jí)代謝基因簇（SMGCs），可聚類為1,590個(gè)基因家族。與前文類似的，SMGCs也體現(xiàn)出高度的種屬特異性，其中盤(pán)菌亞門(mén)基因組中SMGCs的占比高于其他亞門(mén)。

CGF的可發(fā)酵底物的降解潛力及次生代謝產(chǎn)物的生物合成

3. CGF的初級(jí)代謝物譜

為了表征CGF的代謝物含量，對(duì)CGF中的199種代表性真菌進(jìn)行了體外的Q300全定量代謝組檢測(cè)。從凍干真菌粉末中檢測(cè)出241種初級(jí)代謝物，包括56種脂肪酸及其衍生物、55種氨基酸及其衍生物、33種有機(jī)酸、26種碳水化合物和25種苯類化合物。其中有166種物質(zhì)的含量在四個(gè)亞門(mén)之間存在顯著差異：盤(pán)菌亞門(mén)富含多種氨基酸、苯衍生物、碳水化合物和有機(jī)酸；酵母菌亞門(mén)富含其他的氨基酸和脂肪酸；而擔(dān)子菌亞門(mén)中富含一些特定的有機(jī)酸。

PCoA分析顯示，各真菌亞門(mén)的初級(jí)代謝物譜存在顯著差異，但再細(xì)分到科、屬、種后，代謝物組成的差異中就只有8.2%至17.3%可以歸因于基因組。這表明，非基因組的環(huán)境因素，如培養(yǎng)條件和調(diào)控機(jī)制，在塑造腸道真菌代謝組方面起著重要作用。

最后應(yīng)用隨機(jī)森林模型來(lái)評(píng)估功能基因組的編碼能力對(duì)代謝物濃度的影響。發(fā)現(xiàn)241種代謝物中有16種可以被預(yù)測(cè)，這其中包括幾類氨基酸和碳水化合物，說(shuō)明這類代謝物的濃度主要由基因組的功能編碼能力決定；與之相對(duì)的，有一些代謝物如肉堿，則無(wú)法被順利預(yù)測(cè)，它們的含量似乎與基因編碼能力無(wú)關(guān)。

CGF的初級(jí)代謝物概況

4. CGF與常見(jiàn)疾病的關(guān)系

接下來(lái)研究了包含中國(guó)和非中國(guó)人群約1.1萬(wàn)人的糞便樣本，用于探索腸道真菌群落的特征及其與28種常見(jiàn)疾病的關(guān)系。

在群落特征層面，亞門(mén)水平上的組成模式在不同人群和疾病的研究中都高度相似，物種水平上呈現(xiàn)對(duì)數(shù)正態(tài)分布，這里未觀察到類似腸道細(xì)菌在不同人種間的分布差異。

腸道真菌群落特征的描述

在多樣性方面，腸道真菌群落的多樣性在多數(shù)疾病狀態(tài)下顯著降低。不同疾病類型對(duì)菌群的影響存在差異：消化道疾病和癌癥與腸道真菌群落改變最相關(guān)，其次是免疫疾病。隨后利用隨機(jī)森林模型來(lái)評(píng)估真菌組成區(qū)分不同疾病與健康人群的能力，發(fā)現(xiàn)房顫患者的可分類性最高，其次是炎癥性腸病(IBD)、結(jié)直腸癌(CRC)、自閉譜系障礙(ASD)、強(qiáng)制性脊柱炎(AS)、和HIV感染。

隨后研究不同疾病的差異腸道真菌。通過(guò)與健康人群對(duì)比，共鑒定出522種真菌差異特征，包括109個(gè)科水平，171個(gè)屬水平和242個(gè)種水平的，覆蓋了廣泛的疾病類型。其中一些真菌類群在多種疾病中的變化趨勢(shì)一致，例如Candida albicans c20（白色念珠菌）在動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾�。ˋCVD）、肝硬化（LC）、系統(tǒng)性紅斑狼瘡（SLE）、潰瘍性結(jié)腸炎（UC）和COVID-19患者中均顯著富集；另外也有部分真菌僅在特定的疾病中存在顯著的豐度差異。

常見(jiàn)疾病的腸道真菌特征

最后關(guān)注腸道真菌代謝物對(duì)疾病的影響。將預(yù)測(cè)出的次級(jí)代謝物特征與靶向檢測(cè)的初級(jí)代謝物譜合并，再次按照疾病vs對(duì)照進(jìn)行差異分析，發(fā)現(xiàn)在43個(gè)差異比較組中，有27個(gè)組的次級(jí)代謝譜發(fā)生顯著變化，而僅有5個(gè)組在初級(jí)代謝物層面存在顯著差異。這說(shuō)明腸道真菌更有可能通過(guò)次級(jí)代謝物影響疾病。

5. 聚焦CGF與IBD

最后聚焦炎癥性腸病(IBD)的腸道真菌特征。首先利用3個(gè)人群隊(duì)列進(jìn)行分析，共識(shí)別出15個(gè)科、24個(gè)屬和44個(gè)物種的IBD相關(guān)真菌，根據(jù)疾病情況可將它們分為IBD富集、缺失和不顯著菌株。隨后利用小鼠飼喂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行生物體驗(yàn)證和機(jī)制探索，對(duì)9種關(guān)鍵真菌進(jìn)行了驗(yàn)證，并鑒定出7種真菌發(fā)酵產(chǎn)生的無(wú)環(huán)倍半萜，推斷它們可能通過(guò)激活FXR受體從而減輕IBD。

IBD相關(guān)的腸道真菌研究

三、研究結(jié)論

本文通過(guò)建立一個(gè)包含760個(gè)基因組的培養(yǎng)腸道真菌（CGF）目錄，揭示了腸道真菌群落的遺傳多樣性、功能和代謝特性，并探討了它們與常見(jiàn)疾病之間的潛在聯(lián)系。隨后發(fā)現(xiàn)腸道真菌群落在不同人群中的多樣性和結(jié)構(gòu)與炎癥性腸�。↖BD）等健康問(wèn)題相關(guān)聯(lián)，并通過(guò)動(dòng)物模型驗(yàn)證了特定真菌對(duì)結(jié)腸炎的影響，為未來(lái)探究腸道真菌群落的研究和它們對(duì)人類健康作用提供了新的視角和資源。

全文總結(jié)

參考文獻(xiàn)

Yan Q, Li S, Yan Q, et al. A genomic compendium of cultivated human gut fungi characterizes the gut mycobiome and its relevance to common diseases. Cell. 2024.

 

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麥特繪譜為本論文提供了Q300全定量代謝組學(xué)技術(shù)，一如既往以穩(wěn)定實(shí)力支持大樣本真菌代謝研究。麥特繪譜開(kāi)創(chuàng)性地搭建了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域高端代謝組學(xué)技術(shù)平臺(tái)，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫(yī)學(xué)代謝組解決方案，同時(shí)全面布局微生物組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)服務(wù)，已成為全球多組學(xué)研究者的優(yōu)選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000，Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸、色氨酸及吲哚衍生物、多胺和TMAO類等各類小分子代謝物、非靶向代謝組學(xué)和同位素示蹤代謝流技術(shù)等共40+系列檢測(cè)方法；已為數(shù)百家三甲醫(yī)院、科研院所和企業(yè)提供多組學(xué)解決方案，協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章400+篇，累計(jì)影響因子4000+，平均IF＞10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級(jí)期刊。

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