扩大非洲人类肠道菌群图谱

来自四个非洲国家的横断面研究显示了在以前代表性不足的人群中调查肠道微生物组的重要性，并为公平的微生物组研究提供了框架。

　　

拓展非洲人体肠道微生物组图谱：AWI-Gen 2 微生物组项目成果解读

来自悉尼布伦纳分子生物科学研究所等多个机构的研究人员在《Nature》期刊上发表了题为 “Expanding the human gut microbiome atlas of Africa” 的论文。该研究是非洲 Wits-INDEPTH 基因组研究伙伴关系（AWI-Gen）的重要成果，对于深入了解肠道微生物组与地理、生活方式、遗传和环境因素之间的关系具有关键意义，为全球微生物组研究提供了来自非洲多样化人群的重要数据，也为后续相关研究奠定了坚实基础。

一、研究背景

大规模人群研究有助于揭示影响肠道微生物组组成的各种因素，但目前肠道微生物组研究存在地域不平衡的问题。低收入和中等收入国家（LMICs）占世界人口约 84%，却在大规模肠道微生物组研究中代表性严重不足。以往研究多聚焦高收入人群，其结果难以推广到生活方式、健康状况、医疗资源获取和环境暴露不同的人群。此外，传统研究常采用基于设施的便利抽样模型，无法准确反映总体人群特征。非洲人群的肠道微生物在公共参考数据库中代表性不足，且现有数据多来自生活方式不具代表性的孤立人群。在 HIV 研究方面，尽管其在肯尼亚和南非的 AWI-Gen 研究人群中是重大公共卫生问题，但针对非洲人群肠道微生物组与 HIV 状态关联的研究较少，且现有研究多集中于高收入国家男性，受性取向等因素干扰，难以准确揭示两者关系。

二、研究材料与方法

（一）研究对象

从布基纳法索、加纳、肯尼亚和南非的六个研究中心随机抽取 1820 名成年人（1801 名女性和 19 名男性），涵盖农村、城郊和城市地区，这些地区在人口密度、生计策略、收入水平和疾病谱等方面存在显著差异。参与者年龄在 32 - 98 岁之间，99% 在 41 - 84 岁，排除孕妇、居住不足 10 年者，且每个家庭仅纳入一人。因 AWI-Gen 2 更年期研究的下游需求，主要招募女性，少量男性样本因研究价值保留，但在部分分析中排除以避免混杂因素影响。

（二）样本采集与处理

参与者需完成问卷，提供血液、尿液和粪便样本。粪便样本用温度稳定缓冲液收集，在同一地点、同一时间处理。DNA 提取采用 QIAamp PowerFecal Pro DNA Kit，随后进行 2×150 碱基对的双端测序，以减少批次效应和技术混杂因素。

（三）数据分析方法

利用多种生物信息学工具对测序数据进行处理和分析。如使用 mOTUs3 进行分类学分类，结合扩展数据库以更好地鉴定未知细菌分类群；通过距离冗余分析探究影响微生物组组成变异的因素；构建宏基因组组装基因组（MAGs）并与现有数据库对比，挖掘新的原核生物基因组和蛋白质；采用线性混合效应模型分析微生物组特征与 HIV 状态的关联等。

三、研究结果

（一）不同研究地点的分类组成

通过对研究人群总体分类组成的分析，发现主要变异轴体现了拟杆菌门（Bacteroidota）和厚壁菌门 A（Bacillota A）相对丰度的权衡，且与古菌门甲烷杆菌门（Methanobacteriota）的丰度相关。第二主坐标（PCo2）反映了研究地点的差异，与螺旋体门（Spirochaetota）和迷踪菌门（Elusimicrobiota）等的丰度相关，这些菌门相对丰度随工业化程度降低。与西欧和日本的外部队列相比，AWI-Gen 2 队列个体的疣微菌门（Verrucomicrobiota）和螺旋体门相对丰度较高，放线菌门（Actinomycetota）相对丰度较低。研究还发现，研究地点对微生物组组成变异的解释度最高（7.92%），其次是抗生素使用、腹泻、驱虫药使用和益生菌使用等与微生物组内在相关的变量，HIV 状态是唯一能解释较大变异量（0.52%）的疾病相关变量。不同研究地点的原核生物多样性存在显著差异，许多分类群在不同地点有独特的相对丰度和流行模式，且 “城市化” 或 “工业化” 不能完全解释不同城市和农村地区微生物组的差异。

（二）新的原核生物基因组

研究共获得 69539 个基因组，其中 34215 个为高质量基因组，26660 个为中等质量基因组。经去冗余处理后得到 2613 个 MAGs，涵盖 19 个细菌门。与统一人类胃肠道基因组（UHGG）目录相比，AWI-Gen 2 数据集包含 1005 个新的原核生物 MAGs，与统一人类胃肠道蛋白质 95（UHGP95）目录相比，有 760 万个新蛋白质。许多个体样本含有此前未知的原核生物基因组和蛋白质，且研究未达到饱和，意味着进一步研究将发现更多微生物组多样性。以琥珀酸密螺旋体（T. succinifaciens）为例，该菌被认为在城市人群中缺失，但研究发现其在城市人群中存在，且丰度与人口密度呈负相关。拥有 T. succinifaciens 的个体近期抗生素使用较少、臀围较低，其基因组对抗生素耐药基因的携带率低，且具有降解半纤维素和淀粉的能力，表明其在低纤维饮食转变过程中可能会消失。

（三）不同地点的病毒组分

从所有宏基因组组装中生成病毒基因组目录，发现 381 个病毒基因组在至少 18 个人中存在，2701 个在至少一个研究地点的至少 1% 参与者中出现。与宏基因组肠道病毒（MGV）目录相比，有 40135 个新病毒。病毒丰富度与原核生物丰富度的变化趋势不同，且未达到饱和。Crassvirales 噬菌体在所有地点普遍存在，研究还鉴定出 9 个新的巨型噬菌体，其基因组包含与宿主持久性相关的特征，但功能注释大多未知。

（四）与 HIV 状态相关的分类学关联

比较感染 HIV 且接受抗逆转录病毒治疗（ART）的女性和血清阴性女性的微生物组组成，发现 HIV 阳性女性的原核生物多样性总体较低，且在各个研究地点均如此。通过线性混合效应模型分析，确定了 131 种与 HIV 状态显著差异的原核生物物种，部分物种在其他队列中已被报道与 HIV 状态相关，如普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii），但也发现了一些此前未在 HIV 研究中描述的物种，如 Dysosmobacter welbionis。训练机器学习模型区分 HIV 状态，在所有地点都取得了较高的分类准确率，但模型在跨地点应用时，只有基于阿金库尔（Agincourt）数据训练的模型保持较高准确率。此外，HIV 阳性且接受 ART 治疗的女性噬菌体丰富度低于血清阴性个体，基于噬菌体特征训练的机器学习模型区分 HIV 状态的准确性低于基于原核生物特征的模型。

四、研究结论与讨论

AWI-Gen 2 微生物组项目是一项具有里程碑意义的研究，它将人类微生物组研究扩展到非洲多样化的低收入和中等收入人群，是目前该领域针对此类人群最大规模的横断面和基于人群的调查，为未来微生物组发现研究提供了宝贵资源。研究表明，研究地点对微生物组变异影响显著，其与人口密度和资源获取梯度相关，但具有相似生计策略和工业化水平的地点之间也存在差异，这凸显了生计、工业化和生活方式因素在塑造肠道微生物组方面的复杂相互作用。研究还发现了大量新的病毒基因组和巨型噬菌体，为深入研究未知噬菌体及其宿主提供了契机。在 HIV 与微生物组关系的研究中，虽然无法确定因果关系，但发现了一些与 HIV 状态相关的新分类群，进一步证明现有疾病关联可能无法在全球人群中广泛适用，需要更多研究来阐明 HIV 感染和其他混杂变量对微生物组组成的影响。

该研究也存在一定局限性，如未充分代表任何国家或地区，仅关注老年女性，未考虑饮食等因素，且无法确定微生物组与疾病关联的因果关系。未来研究可通过对这些人群的纵向采样、纳入其他微生物组测量方法（如真核生物分析、总微生物浓度定量）以及结合宿主遗传学等多方面研究，进一步深入了解微生物组与宿主的复杂关系。总体而言，AWI-Gen 2 微生物组项目推动了全球多样化人群肠道微生物组的研究，为后续研究提供了丰富的数据和研究思路，有望促进疾病管理、健康和福祉领域的发展。