通过宏基因组组装得到的基因组揭示了与冠状动脉疾病相关的微生物特征及代谢途径

《mSystems》：Metagenome-assembled genomes reveal microbial signatures and metabolic pathways linked to coronary artery disease

肠道菌群宏基因组测序分析显示，冠心病（CAD）患者相较于健康对照，其肠道菌群中Lachnospiraceae家族显著富集，而产短链脂肪酸的Slackia isoflavoniconvertens和Faecalibacterium prausnitzii等菌种显著减少。代谢通路分析发现CAD患者尿素循环和L-赖氨酸生物合成途径显著增强，而BCAA合成途径减弱。通过MAGs重构揭示，CAD相关MAGs在N?固定和硫化物还原代谢模块中显著富集，并发现Akkermansia muciniphila和Megamonas fumiformis菌株在功能基因表达上存在差异。随机森林模型结合菌群特征和代谢产物（如inosine）可提升CAD分类效能（AUC=0.89）。

　　冠状动脉疾病（CAD）是全球范围内导致死亡和残疾的主要原因之一，其病理特征包括心肌功能障碍和由于冠状动脉狭窄导致的供血不足。近年来，越来越多的研究表明，肠道微生物群在CAD的发展过程中发挥着关键作用，通过影响全身炎症反应、脂质代谢以及动脉粥样硬化等机制。本文通过粪便宏基因组测序技术，深入分析了CAD患者与健康对照组的肠道微生物特征，揭示了其在CAD中的潜在作用，并提供了基于菌株水平的功能性见解。研究结果不仅深化了我们对肠道微生物与CAD之间关系的理解，也为开发基于微生物组的治疗策略提供了新的方向。

### 肠道微生物群的组成与CAD的关系

在本研究中，共有42名参与者被纳入最终分析，其中包括14名CAD患者和28名匹配的健康对照者。通过对这些样本进行宏基因组测序，研究人员发现CAD患者和健康个体在肠道微生物群的组成上存在显著差异。具体而言，15种与CAD相关的细菌物种被识别出来，其中一些菌种在CAD患者中显著富集，而另一些则明显减少。例如，Lachnospiraceae家族的某些成员与CAD有关，这可能与其在体内产生三甲胺-N-氧化物（TMAO）的能力相关。TMAO是一种已被证实与CAD发生和进展密切相关的代谢产物，能够促进血管炎症、血小板过度反应以及泡沫细胞形成。相反，短链脂肪酸（SCFA）生成菌Slackia isoflavoniconvertens和Faecalibacterium prausnitzii在CAD患者中被发现显著减少，这可能与肠道介导的炎症反应和代谢紊乱有关。

### 肠道微生物的代谢功能与CAD

通过对肠道微生物的代谢通路进行分析，研究人员发现CAD患者与健康对照组在多个代谢通路中存在显著差异。例如，尿素循环和L-瓜氨酸生物合成通路在CAD患者中被显著富集，而L-异亮氨酸生物合成和支链氨基酸（BCAA）生物合成通路则被显著减少。这些通路的变化可能反映了肠道微生物与CAD之间的代谢联系。此外，研究人员还预测了多种肠道微生物代谢产物，并发现其中一些物质在CAD患者中出现显著变化。例如，肌苷的水平在CAD患者中显著升高，而C18:0e MAG和α-鼠胆酸的水平则显著降低。肌苷被认为具有舒张冠状动脉的作用，但其在CAD中的具体机制仍需进一步研究。C18:0e MAG和α-鼠胆酸的减少可能与心血管健康状况有关，但它们在肠道微生物中的功能尚不清楚。

### 预测模型的建立与CAD的诊断潜力

为了评估肠道微生物在CAD诊断中的潜在价值，研究人员构建了一个随机森林分类模型，该模型基于差异丰度的细菌物种和预测的微生物代谢产物进行训练。结果显示，仅使用细菌物种的分类模型平均曲线下面积（AUC）为0.79，而仅使用代谢产物的模型平均AUC为0.78。当将两者结合使用时，分类性能显著提升，平均AUC达到0.89，表明细菌分类和代谢产物信息在CAD诊断中具有互补性。模型中最重要的预测因子包括AM51-8 sp003478275、Faecalibacterium prausnitzii以及肌苷等代谢产物。这一结果支持了将肠道微生物特征整合到CAD诊断和风险评估中的重要性，并突出了多组学方法在微生物组相关疾病研究中的潜力。

### MAG的重建与功能分析

为了进一步探索肠道微生物在CAD中的具体作用，研究人员通过宏基因组组装基因组（MAG）技术重建了与CAD相关的微生物基因组。结果显示，CAD患者的MAG在氮气固定、亚硫酸盐还原等代谢通路上表现出更高的丰度，而健康对照组的MAG则在芳香化合物降解、铁还原等通路中更丰富。这些差异可能反映了CAD患者与健康个体之间肠道微生物在代谢功能上的不同。此外，通过对特定菌种的基因组进行比较分析，研究人员发现CAD相关的菌株与健康菌株在功能模块上存在显著差异。例如，CAD相关的Megamonas fumiformis菌株表现出与甲烷生成、汞还原和脂肪酸代谢相关的功能模块，而健康对照组的Akkermansia muciniphila菌株则更倾向于降解复杂碳水化合物，这可能与其保护性作用相关。

### 肠道微生物与CAD的潜在机制

研究还揭示了肠道微生物与CAD之间可能的机制。例如，CAD患者中某些菌种的减少可能与其对SCFA的生成能力下降有关，而SCFA在维持肠道屏障功能和调节炎症反应方面具有重要作用。此外，某些菌种的富集可能与TMAO的生成有关，TMAO已被证实与CAD的发生和进展密切相关。然而，研究中并未发现CAD与健康个体之间在TMAO相关基因丰度上的显著差异，这可能与个体差异或研究方法有关。此外，研究还指出，肠道微生物的代谢功能可能受到多种因素的影响，包括基因表达、调控机制、酶活性以及宿主环境等，因此未来的研究需要结合多种组学方法，以更全面地评估微生物功能。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了重要的进展，但仍然存在一些局限性。首先，样本量相对较小，且性别分布不均，这可能影响研究结果的稳健性和普遍性。其次，本研究采用的是横断面设计，无法确定微生物变化是否为CAD的因果因素，因此需要进一步的纵向研究来探讨微生物动态与CAD进展之间的关系。此外，虽然宏基因组测序能够提供菌株级别的分辨率和代谢潜力的分析，但其对特定代谢通路在体内的活动能力的捕捉有限。因此，未来的研究可以结合宏基因组转录组、宏蛋白组或代谢组分析，以更直接地评估微生物功能和宿主-微生物相互作用。

### 结论

综上所述，本研究通过宏基因组测序技术，全面分析了CAD患者的肠道微生物群结构、代谢功能及潜在的微生物基因组特征。研究结果表明，CAD与肠道微生物群的改变密切相关，包括特定细菌的富集或减少以及代谢通路的差异。这些发现不仅加深了我们对肠道微生物与CAD之间关系的理解，也为基于微生物组的治疗策略提供了新的思路。未来的研究应进一步验证这些微生物特征，并探索其在心血管疾病预防和治疗中的潜在应用。此外，随着微生物组研究的不断深入，我们有望开发出更加精准的诊断工具和治疗方案，以改善CAD患者的预后和生活质量。