腸道真菌是人體微生物組的重要組成部分，對人體健康影響重大，但相對于腸道細菌群，我們對腸道真菌的了解尚在初始階段。在過去的十年中，腸道菌群研究囿于真菌18S rRNA或 ITS測序，雖取得了一系列進展，但大家對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)馬驍馳團隊聯(lián)合中國科學(xué)院上海藥物研究所及北京林業(yè)大學(xué)團隊在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，通過大規(guī)模人類腸道真菌培養(yǎng)測序，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疾病相關(guān)的顯著變異，并通過動物實驗證實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全定量代謝組檢測服務(wù)）

一、文章梗概

點擊查看大圖

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個真菌分離株，經(jīng)全基因組測序，共組裝出760個基因組，涵蓋206個菌種，其中69個為首次被鑒定到。這份基因組測序結(jié)果被命名為“人類培養(yǎng)腸道真菌目錄（CGF）”。進一步將CGF與NCBI數(shù)據(jù)庫中來自呼吸道、消化道、泌尿生殖道和皮膚的人類真菌菌株進行比較，發(fā)現(xiàn)僅存在32個共有菌株，說明CGF極大地擴展了可利用的培養(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

2. CGF的功能基因注釋及分析

隨后對CGF的蛋白質(zhì)編碼基因進行聚類，得到643,717個非冗余蛋白質(zhì)簇，其中約有77%未在呼吸道/消化道中檢出過，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(PCoA)分析可將四個真菌亞門：毛霉菌亞門(Mucoromycota)、盤菌亞門(Pezizomycotina)、酵母菌亞門(Saccharomycotina)和擔(dān)子菌亞門(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亞門中的某一個特異性表達，如：毛霉菌亞門特異性表達遺傳信息處理、細胞過程和信號通路的物質(zhì)，而盤菌亞門的特異性物質(zhì)則富集于次級代謝和氨基酸和碳水化合物的運輸/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

在真菌對人類腸道環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)過程中，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個碳水化合物活性酶（CAZymes），其中盤菌亞門表達了大量的植物細胞壁降解酶 (PCWDE)，說明它們在分解植物多糖方面發(fā)揮了積極作用。另外，也分別檢測到了 225,078 個蛋白酶基因和 188,425 個脂肪酶基因，功能富集分析表明，盤菌亞門在脂質(zhì)代謝能力方面比其他亞門更高，而酵母菌亞門表現(xiàn)出顯著的蛋白酶能力。

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

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的初級代謝物譜

為了表征CGF的代謝物含量，對CGF中的199種代表性真菌進行了體外的Q300全定量代謝組檢測。從凍干真菌粉末中檢測出241種初級代謝物，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)的含量在四個亞門之間存在顯著差異：盤菌亞門富含多種氨基酸、苯衍生物、碳水化合物和有機酸；酵母菌亞門富含其他的氨基酸和脂肪酸；而擔(dān)子菌亞門中富含一些特定的有機酸。

PCoA分析顯示，各真菌亞門的初級代謝物譜存在顯著差異，但再細分到科、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)用隨機森林模型來評估功能基因組的編碼能力對代謝物濃度的影響。發(fā)現(xiàn)241種代謝物中有16種可以被預(yù)測，這其中包括幾類氨基酸和碳水化合物，說明這類代謝物的濃度主要由基因組的功能編碼能力決定；與之相對的，有一些代謝物如肉堿，則無法被順利預(yù)測，它們的含量似乎與基因編碼能力無關(guān)。

CGF的初級代謝物概況

4. CGF與常見疾病的關(guān)系

接下來研究了包含中國和非中國人群約1.1萬人的糞便樣本，用于探索腸道真菌群落的特征及其與28種常見疾病的關(guān)系。

在群落特征層面，亞門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)對數(shù)正態(tài)分布，這里未觀察到類似腸道細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。隨后利用隨機森林模型來評估真菌組成區(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。通過與健康人群對比，共鑒定出522種真菌差異特征，包括109個科水平，171個屬水平和242個種水平的，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一致，例如Candida albicans c20（白色念珠菌）在動脈粥樣硬化性心血管疾病（ACVD）、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。

常見疾病的腸道真菌特征

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

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個人群隊列進行分析，共識別出15個科、24個屬和44個物種的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驗進行生物體驗證和機制探索，對9種關(guān)鍵真菌進行了驗證，并鑒定出7種真菌發(fā)酵產(chǎn)生的無環(huán)倍半萜，推斷它們可能通過激活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

本文通過建立一個包含760個基因組的培養(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）等健康問題相關(guān)聯(lián)，并通過動物模型驗證了特定真菌對結(jié)腸炎的影響，為未來探究腸道真菌群落的研究和它們對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

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.

 

繪譜幫你測

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)定實力支持大樣本真菌代謝研究。麥特繪譜開創(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，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，累計影響因子4000+，平均IF＞10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級期刊。

END