皮肤宏转录组学揭示人体不同部位微生物活性与基因表达的景观差异

本研究针对皮肤微生物组研究中低生物量、宿主污染和RNA稳定性差等难题，开发了高重现性的皮肤宏转录组学工作流程。通过配对应用宏基因组学和宏转录组学技术，在27名健康成年人五个皮肤部位的分析中发现，尽管葡萄球菌(Staphylococcus)和马拉色菌(Malassezia)在宏基因组中占比不高，却在宏转录组中贡献显著。研究揭示了微生物在特定生态位的适应特征，鉴定了多种抗菌基因（包括新型细菌素）的原位表达，并发现了20多个可能介导微生物间相互作用的基因。该工作为理解皮肤微生物活性提供了新视角，相关成果发表于《Nature Biotechnology》。

　　

人体皮肤是数万亿微生物的家园，这些微小的"房客"与宿主健康息息相关。然而长期以来，科学家们对皮肤微生物的认知主要停留在"谁在那里"的层面，而对"谁在活跃工作"知之甚少。这就像只掌握了公司员工名册，却不清楚各部门实际在开展什么业务。传统宏基因组测序(metagenomics)只能告诉我们微生物的基因潜力，而无法揭示哪些基因真正被激活表达。特别是在皮肤这种低生物量环境中，微生物RNA极易降解，且常被大量宿主RNA污染，使得皮肤宏转录组研究举步维艰。

针对这一技术瓶颈，Minghao Chia团队在《Nature Biotechnology》发表了创新性解决方案。研究人员开发了一套稳健的皮肤宏转录组学工作流程，通过优化采样、裂解条件和RNA纯化技术，结合定制化的rRNA去除方案，成功实现了高重现性(Pearson's r>0.95)的微生物mRNA富集(2.5-40倍)。该技术克服了皮肤样本中微生物生物量低、宿主污染严重等挑战，为原位研究皮肤微生物活性提供了有力工具。

研究团队将该工作流程与宏基因组学配对应用于27名健康成年人的五个皮肤部位（头皮、脸颊、前臂屈侧、前臂伸侧和趾蹼），共获得102对通过质控的测序文库。分析发现皮肤微生物的转录活性与其基因组丰度存在显著差异：尽管痤疮丙酸杆菌(Cutibacterium acnes)在大多数部位的宏基因组中占主导(46-90%)，但其在宏转录组中的贡献相对有限(2-31%)；相反，马拉色菌(Malassezia)和葡萄球菌(Staphylococcus)虽然基因组占比不高，却在转录组中表现活跃。这种"低调做人，高调做事"的微生物尤其值得关注，例如限制性马拉色菌(M. restricta)在头皮和脸颊的转录组中占比高达23-30%，而球形马拉色菌(M. globosa)在前臂屈侧的转录组中占比甚至达到81%。

研究采用的主要技术方法包括：1）使用FLOQSwabs非侵入性采样结合DNA/RNA Shield保存；2）珠磨裂解与定制化rRNA去除方案；3）基于iHSMGC皮肤微生物基因目录的功能注释；4）配对宏基因组与宏转录组数据分析；5）转录组约束的通量平衡分析(FBA)；6）人类角质形成细胞培养模型验证微生物-宿主互作。样本来自新加坡27名健康成年人组成的队列。

研究结果可分为以下几个重要发现：

Development of a robust skin metatranscriptomics workflow

通过优化实验流程，建立的皮肤宏转录组方法具有高重现性（技术重复相似性≥0.98），能有效富集微生物mRNA（非rRNA占比>79.5%），且在细菌和真菌基因上呈现均匀覆盖。纵向分析显示个体内基因表达具有时间稳定性（中位Pearson's r≥0.897）。

Skin metatranscriptomics identifies niche-specific active species and functions distinct from metagenomes

配对分析揭示了转录组与基因组丰度的显著差异：马拉色菌和葡萄球菌在转录组中贡献超比例。生态位分析发现，与皮脂丰富的脸颊相比，干燥的前臂伸侧微生物上调了葡萄糖分解代谢相关基因；而趾蹼部位则上调了与氨基酸代谢和血红素合成相关的通路。

Species-level analysis identifies signatures of adaptation to in vivo nutrient availability

物种水平分析揭示了微生物对生态位的适应性：限制性马拉色菌在头皮富集过氧化物酶体相关基因，在脸颊则高表达磷脂酶C(PLC)；表皮葡萄球菌(S. epidermidis)在体内外表现出显著代谢差异，FBA分析显示其在体内更依赖磷酸戊糖途径(PPP)和乳酸代谢。

Gene-level analysis identifies key antimicrobial functions and interactions in vivo

基因水平分析鉴定了多种原位表达的抗菌基因，包括硫肽类(thiopeptides)和新型细菌素。通过关联分析发现20多个可能介导微生物互作的基因，如限制性马拉色菌表达的DNF11_2196蛋白（结构与链霉菌蛋白酶抑制剂相似）与痤疮丙酸杆菌丰度呈显著负相关。

这项研究的意义在于：1）建立了首个适用于多部位皮肤采样的宏转录组学标准化流程；2）揭示了皮肤微生物"言行不一"的现象，即基因组丰度与转录活性的显著差异；3）发现了微生物适应特定生态位的代谢特征；4）鉴定了多种具有潜在应用价值的抗菌肽；5）为理解微生物-宿主互作提供了新线索。特别是限制性马拉色菌表达的蛋白酶抑制剂样蛋白与痤疮丙酸杆菌的负相关关系，为开发针对性微生态调控策略提供了分子靶点。

该工作将皮肤微生物组研究从"人口普查"推进到"经济活动调查"的新阶段，为未来研究皮肤微生物在健康与疾病中的功能角色奠定了方法学基础。研究者开发的标准化流程有望广泛应用于临床研究和个性化皮肤护理产品开发，而发现的活性微生物基因则为新型抗菌剂和益生菌筛选提供了宝贵资源。正如作者所言，这项研究"突出了皮肤宏转录组学对于全面了解原位活性物种、表达微生物功能、关键通路和微生物间相互作用的重要性"。