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在全球范围内，肠杆菌科（Enterobacteriaceae）引发的机会性感染威胁着人类健康。为探究其在肠道微生物组中的生态规律，研究人员分析 12238 个公共人类肠道宏基因组样本。结果揭示了相关微生物群落特征及种间相互作用机制，为非抗生素疗法提供依据。
在人体的肠道中，居住着数以万亿计的微生物，它们共同构成了肠道微生物组，对人体健康起着至关重要的作用。然而，肠道微生物中也潜藏着一些 “危险分子”，肠杆菌科细菌就是其中之一。肠杆菌科细菌是全球范围内引发机会性感染的主要病原体，像大肠杆菌（Escherichia coli）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）等，不仅可能引发严重甚至危及生命的感染，还与克罗恩病等非传染性疾病以及较高的全因死亡率有关。世界卫生组织已将产超广谱 β - 内酰胺酶（ESBL）的肠杆菌科细菌列为重点关注的病原体。而且，这类细菌在家庭环境中的传播率不容小觑，超过了在医疗环境中的传播率。
以往大多数关于肠杆菌科的研究都集中在临床分离株上，这使得我们对其在肠道微生物组中的生态情况了解有限。同时，之前探究肠杆菌科与肠道微生物组关系的研究，受限于样本量小，或者仅依赖于 16S rRNA 基因分型技术，该技术在分类学和功能解析上存在不足。随着测序技术和宏基因组分析方法的发展，如今有机会以前所未有的分辨率揭示肠道微生物组内机会性病原体的复杂动态和相互作用。
在此背景下，来自英国剑桥大学兽医学院等机构的研究人员开展了一项大规模、高分辨率的宏基因组分析研究。他们对分布在全球的超过 12000 个人类肠道宏基因组样本进行研究，旨在揭开肠杆菌科在人类肠道微生物组中的生态奥秘。该研究成果发表在《Nature Microbiology》杂志上。
研究人员开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，从欧洲核苷酸档案库（ENA）收集了 12238 个人类肠道宏基因组样本，这些样本来自 45 个国家的 65 项不同研究。样本筛选有严格标准，需包含至少 500,000 对末端宏基因组读数，有健康状态、年龄组和原产国等元数据，且个体无急性感染诊断，近一个月内未使用抗生素。接着，利用统一人类胃肠道基因组（UHGG）目录，通过基于映射的方法检测肠道微生物物种的存在和丰度。为了探究肠道微生物群落结构与肠杆菌科定植状态的关系，研究人员使用了三种监督机器学习算法（岭回归、随机森林和梯度提升）进行分析。此外，还运用了多种生物信息学工具和算法来鉴定与肠杆菌科相关的微生物物种、分析基因功能以及构建基因组规模的代谢模型等。
下面来看看具体的研究结果：
- 肠杆菌科的全球分布：研究人员从全球 45 个国家收集了 12238 个公共人类肠道宏基因组样本，样本主要来自欧洲和北美，其次是亚洲和非洲。基于 UHGG 目录，通过特定的映射方法检测到 4612 种肠道微生物物种，其中包括 113 种肠杆菌科细菌。肠杆菌科的总体患病率为 66%，在不同年龄组、健康状态和大洲之间分布较为均衡。大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和霍氏肠杆菌是各年龄组、健康状态和大洲中最常见的物种。进一步研究发现，大肠杆菌在非洲样本、婴儿宏基因组和类风湿性关节炎患者中的患病率最高。对肠杆菌科物种的共分布分析表明，不同地区存在独特的共定植模式，如亚洲样本中大肠杆菌与肺炎克雷伯菌的共定植，以及非洲和大洋洲样本中大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和霍氏肠杆菌的共出现。对大肠杆菌菌株多样性的分析显示，在健康成年人的 5128 个宏基因组样本中，鉴定出 585 种不同的序列类型（STs），其中 76.5% 属于未知 STs，且这些未知谱系在非洲样本中尤为丰富，这表明全球范围内大肠杆菌的亚种多样性还有待进一步研究。
- 与定植动态相关的微生物组结构：研究人员构建了机器学习分类器，基于非肠杆菌科微生物组物种的丰度和患病率来区分有无肠杆菌科定植的样本。结果显示，所有方法和变量的分类性能都较好，梯度提升算法在分类肠杆菌科、大肠杆菌和肺炎克雷伯菌状态时表现更优。模型在不同健康状态和地理区域都具有较好的性能，且在样本量较大的数据集上训练的模型更具泛化性。多样性分析表明，有肠杆菌科定植的样本间的 β 多样性更高，且与 α 多样性和样本读取深度无关。通过差异丰度分析和网络分析，研究人员鉴定出 307 种与肠杆菌科、大肠杆菌和 / 或肺炎克雷伯菌定植和丰度显著相关的原核生物物种，其中 172 种为共定植菌，135 种为共排斥菌。在分类学水平上，共排斥菌中来自毛螺菌目、颤螺旋菌目和拟杆菌目的物种较多，而共定植菌与乳杆菌目、韦荣球菌目和放线菌目显著相关。在物种水平上，粪杆菌属的物种是最强的共排斥菌之一，此前研究表明该属物种能产生短链脂肪酸（SCFAs），可抑制肠杆菌科细菌生长，这可能反映了粪杆菌属的一种定植抗性机制。而肠球菌属、韦荣球菌属和肠杆菌属的一些成员是最强的共定植候选菌。将研究结果与另一项关于产碳青霉烯酶肠杆菌科（CPE）的研究进行比较，发现两者在共排斥菌和共定植菌物种上存在部分重叠，这表明这些物种不仅与肠杆菌科的定植有关，还可能与 CPE 谱系的定植相关。
- 肠杆菌科定植的菌株特异性模式：研究人员对 39 种在健康成年人中被确定为肠杆菌科共定植菌或共排斥菌的肠道微生物物种进行菌株特异性分析。通过分析这些物种的附属基因组，发现 213 个附属基因与肠杆菌科定植状态显著相关，这些基因主要分布在 15 个物种中，且在核苷酸转运和代谢功能上富集。对具有最多与肠杆菌科相关附属基因的菌株进行系统发育分析，发现福氏粪杆菌（Faecalimonas phoceensis）菌株与肠杆菌科共定植的种群结构关联更强，这表明福氏粪杆菌的多样性与肠杆菌科共定植之间存在更特定的菌株水平关联。
- 共定植菌功能多样性更高：对共定植菌和共排斥菌的功能分析表明，共定植菌的功能多样性更高，其 KEGG Orthologs（KOs）多样性显著高于共排斥菌，且这种差异与注释覆盖范围和基因组质量无关。共定植菌在药物抗性和 DNA 调控等功能上与共定植关联更强，而共排斥菌在铁代谢和运输相关基因上更为丰富，这表明两者在利用铁元素方面存在竞争。在更广泛的功能类别（COGs）分析中，共定植菌在代谢相关功能上富集，而共排斥菌在信号转导机制相关功能上更为丰富，且共排斥菌中未知功能的基因更多，可能存在未被发现的定植抗性机制。利用 gutSMASH 算法分析发现，共排斥菌在短链脂肪酸（SCFAs）生产和其他涉及 Rnf 复合物等代谢途径中富集，进一步证实了短链脂肪酸和铁代谢在调节肠道环境和肠杆菌科定植中的重要作用。
- 肠道定植受栖息地过滤驱动：研究人员构建了所有候选共定植菌、共排斥菌以及患病率大于 1% 的肠杆菌科物种的基因组规模代谢模型。通过计算代谢竞争和互补指数，发现共定植菌与肠杆菌科物种的代谢距离比共排斥菌更低，这表明栖息地过滤（有利于功能相似物种共存的过程）可能是肠杆菌科相关物种定植成功和微生物组组装的主要驱动因素。此外，共定植菌分泌的代谢物数量显著多于共排斥菌，通过对代谢物的分析发现，共定植菌和共排斥菌在摄取和分泌的代谢物上存在差异，这些差异可能反映了它们在定植和适应不同肠道生态位方面的差异，也进一步支持了通过调节肠道环境（如饮食）可能影响肠杆菌科定植易感性的观点。
- 共排斥菌编码参与群体感应的基因家族：研究人员使用 antiSMASH 预测工具对共定植菌和共排斥菌中的生物合成基因簇（BGCs）进行分析，发现共排斥菌中显著富集一类环状内酯自诱导物的 BGCs。自诱导物是通过群体感应在细菌通讯中起作用的信号分子，这与共排斥菌在信号转导机制相关功能上的富集结果一致。对这些 BGCs 的进一步分析表明，它们大多属于未被充分研究的序列，可能在控制肠杆菌科在人类肠道中的定植和丰度方面发挥作用。
在研究结论与讨论部分，研究人员通过大规模的全球研究，揭示了与肠杆菌科定植和丰度相关的肠道微生物组特征，发现了新的共定植和共排斥模式，以及潜在的调控机制。然而，该研究也存在一定的局限性，例如无法区分绝对和相对丰度估计，难以确定共排斥菌与肠杆菌科水平降低之间的因果关系，且部分地区的样本代表性不足。尽管如此，该研究为理解肠道微生物组在肠杆菌科定植中的作用提供了重要依据，对开发基于微生物组的治疗策略具有指导意义，有望为应对全球范围内日益严重的多重耐药肠杆菌科感染问题提供新的思路和方向 。
