人阴道微生物组基因组图谱与宿主遗传及人群起源相关联

《Nature Genetics》：Genomic landscape of the human vaginal microbiome is linked to host genetics and population of origin

　　

阴道微生物组对女性健康至关重要，但其基因组多样性及与宿主的相互作用仍未得到充分表征。本研究通过整合10,665份本课题组中国人宏基因组、2,967份公开宏基因组及1,433株细菌分离株，构建了全球阴道宏基因组组装基因组(Global Vaginal Metagenome-assembled Genomes, GVMG)目录，这是一个详尽的阴道微生物基因组库。该目录包含来自890个原核生物、11个真核生物和6,590个病毒分类单元的65,055个基因组，其中许多未在公共参考数据库中出现。研究人员探究了病毒—细菌相互作用，揭示了保守的噬菌体—宿主关联关系。进而鉴定出显示人群特异性模式的显著种内基因组与功能变异。通过宏基因组—基因组广关联分析(metagenome-genome-wide association study, M-GWAS)，研究人员确定了7个在研究范围达到显著性且在至少一个独立队列中复现的、与阴道菌种相关的宿主遗传位点，特别值得注意的是将OPRK1基因与潜在致病菌解脲脲原体(Ureaplasma urealyticum)联系起来。综上，本研究为未来关于人阴道微生物组内基因型—表型互作的研究提供了全面的参考资源。

《Nature Genetics》论文解读：人阴道微生物组基因组图谱与宿主遗传及人群起源相关联

研究背景与立项依据

既往阴道微生物组研究多依赖16S rRNA基因扩增子测序，其分类与功能分辨率有限且排除非细菌微生物，且已有宏基因组组装基因组(Metagenome-Assembled Genomes, MAGs)研究受限于小规模样本及西方人群偏倚，现有参考数据库大多源自肠道微生物组，极大限制了阴道生态系统的功能与生态解析。此外，阴道样本中人源DNA占比常＞90%，造成微生物基因组回收困难，且宿主遗传对阴道微生物组的影响在人阴道部位尚缺乏基于鸟枪法宏基因组与全基因组测序(Whole-Genome Sequencing, WGS)的高分辨率研究。为填补亚洲人群及多界微生物参考基因组缺失的空白，并探究宿主遗传—微生物互作，研究人员开展了此项大规模研究。

主要关键技术方法

研究人员构建了"孔雀(Peacock)队列"——来自中国北京(BJ-GC)、深圳(SZ-4D)及苏州(SU-CCS2018/2019及SU-CCS2021)共10,665份宫颈阴道拭子宏基因组，整合2,967份美、法等国公开宏基因组及1,433株细菌分离株进行MAGs组装与分箱(dRep去冗余)，构建GVMG目录；采用GTDB-Tk进行物种注释与物种水平基因组分箱(Species-level Genome Bins, SGBs)聚类，用CheckV评估病毒质量并界定病毒操作分类单元(viral Operational Taxonomic Units, vOTUs)；功能注释涵盖KEGG、CAZy(碳水化合物活性酶数据库)、毒力因子及生物合成基因簇(Biosynthetic Gene Clusters, BGCs)；基于核心基因系统发育树分析种内群体遗传分化(PERMANOVA)；利用阴道宏基因组中人源读段进行宿主基因型检出，并在发现队列(SU-CCS2021, n=3,137)及两个验证队列(SU-CCS2018/2019, n=3,227；BJ-GC, n=506)中进行宏基因组全基因组关联分析(Metagenome-Genome-Wide Association Study, M-GWAS)。

研究结果

Extensive Chinese population dataset integrating microbiome, phenotypic and genomic information（整合微生物组、表型和基因组信息的广泛中国人群数据集）

通过标准化多中心方案收集10,665份合格宫颈阴道拭子，涵盖妇科门诊、健康体检及癌症筛查人群，伴详细表型(细菌性阴道病Bacterial Vaginosis, BV、HPV感染、子宫肌瘤等)，因人源DNA＞90%，同步获得平均8.4±5.7×宿主覆盖度，实现一份样本同时获取微生物谱与宿主全基因组变异。

Construction of microbial genomes from global female vaginal metagenomes（来自全球女性阴道宏基因组的微生物基因组构建）

整合自测与公开数据共13,632个宏基因组，经质控、去宿主、组装及多策略分箱(dRep去冗余)，并入VMGC(阴道微生物基因组目录)公开MAGs与分离株基因组，最终获得65,055个基因组——36,059个原核(均质≥50%完整度且污染＜5%，含2,955个高质量及20,368个近完整MAGs)、43个真核(11种真菌，主要为白色念珠菌Candida albicans和光滑念珠菌Nakaseomyces glabratus)、28,953个病毒(6,577个vOTUs)，较VMGC扩增1.9倍，是迄今最全面的人阴道微生物基因组库。

Characterization and distribution of the vaginal prokaryotic species（阴道原核生物种的表征与分布）

36,059个原核基因组聚为890个SGBs(773个已知kSGBs，116个未知uSGBs)，涵盖889个细菌种与1个古菌(Methanobrevibacter A smithii)；原隶属Gardnerella vaginalis的部分聚类被重新划分为Bifidobacterium vaginale基因种(含23个SGBs，含B. vaginale、B. swidsinskii、B. piotii等)，与BV相关。Lactobacillus iners与Lactobacillus crispatus所含基因组数最多；首次识别出12种阴道群落状态类型(Community State Types, CSTs)，其中5种分别以不同B. vaginale基因种为主导，而BVAB1(Lachnospiraceae-UBA629 sp005465875)主导的CST在中国队列中仅占0.46%(美国队列12.38%, P＜0.001)，提示地理影响。

Taxonomic landscape of vaginal virus species（阴道病毒种的分类学景观）

28,953条病毒序列聚为6,577个vOTUs(56.5%为独有)，79.0%无科水平注释；64个乳头瘤病毒科(Papillomaviridae)vOTUs涵盖58个已知HPV型别及2个可能的新同源物，HPV52在中国人群中显示最强群体分层。病毒—原核共发生网络证实大多数病毒与预测细菌宿主正相关(如vOTU0627与Lactobacillus crispatus，vOTU0198/vOTU0488与L. iners)；疾病(BV、HPV感染、绝经)相关噬菌体偏好侵染非乳杆菌致病菌(B. vaginale基因种、Prevotella、Dialister等)，而健康育龄期乳杆菌及其噬菌体共富集。

Functional repertoire of the female vaginal microbiome（女性阴道微生物组功能谱）

L. crispatus富含乳酸生成基因但几无唾液酸酶(sialidase)与细胞溶素(cytolysin)编码基因，不破坏保护性黏液屏障；L. iners广泛携带细胞溶素基因；B. vaginale基因种及Prevotella spp.普遍携带sialidase与cytolysin基因(部分SGBs二者兼有)，参与上皮屏障破坏。BVAB1菌株在美国人群显著富集毒力相关BGCs(如产毒素——红斑毒素A基因speA、膜损伤毒素TlyC、链溶素S(sagBCD)基因簇、抗菌防御Ⅱ类细菌素、黏附增强及应激适应模块)，中国与美国人群BVAB1株间存在大量群体差异SNP，涉及DNA复制(dnaE、polC)、DNA修复(uvrA、mutL、radA、mfd)、糖原代谢(glgX、fruA)、抗生素耐药(mrcA、pbpD、mupB、rpoB)及毒力调节(speA、adhE、fliD、prkC)。

Intraspecies phylogenetic analysis highlights population genetic diversification（种内系统发育分析突显群体遗传多样化）

75个SGBs(＞50个基因组)中62个显示显著地理遗传变异(PERMANOVA P_adj＜0.05)，非乳杆菌种(如BVAB1、B. vaginale D、Fannyhessea massiliensis)地理解释力更强；L. jensenii与Lactobacillus mulieris受地理影响大于L. iners，L. crispatus基因组保守性最高。BVAB1中美群体间鉴定出39,052个群体分化SNP，涉及DNA复制修复、代谢、耐药及毒力调控基因。

Host genetics strongly associated with vaginal bacteria（宿主遗传与阴道细菌的强关联）

M-GWAS鉴定出18个独立位点达全基因组显著性(P＜5×10^?8)，其中7个位点达研究范围显著性(P＜9.26×10^?10)并在≥1个验证队列中复现且效应方向一致：(1)OPRK1基因chr8:53,244,232与解脲脲原体(Ureaplasma urealyticum)丰度强关联(β=1.24, P=1.50×10^?55)；(2)ADAP1基因chr7:912,256与Lactobacillus mulieris关联(β=?0.95, P=7.63×10^?26)；(3)PRAMEF1附近chr1:12,806,515与Bifidobacterium piotii关联(β=1.05, P=1.05×10^?16)；(4)MIR548AB附近与Ezakiella coagulans关联；(5)STON1–GTF2A1L/LHCGR/FSHR基因间区与Prevotella sp000758925关联；(6)MAN1A2P1/UQCRFS1附近与B. swidsinskii关联；(7)RPL21P44/CHIC2/PDGFRA基因间区与一未定Lactobacillus种(u861)关联。

讨论与结论翻译

作为迄今最大规模的女性阴道微生物组鸟枪法宏基因组测序研究，本研究构建了含65,055个微生物基因组的GVMG目录(890个原核SGBs、6,577个vOTUs、11种真菌)，其中13.0%原核种与79.0% vOTUs未收录于公共库。相较于VMGC，样本量扩增三倍、基因组数增1.9倍，弥补了亚洲人群、健康个体、绝经后队列及疾病谱覆盖不足。GVMG揭示阴道噬菌体—细菌互作具表型情境依赖性——健康育龄期乳杆菌与其噬菌体共富集，而HPV感染/BV/绝经状态下噬菌体偏向靶向非乳杆菌菌群；B. vaginale基因种内噬菌体跨基因种连接性强于乳杆菌噬菌体。多数阴道菌种存显著地理种内分化(L. iners＞L. crispatus；B. vaginale分化早于人类迁徙)，BVAB1毒力BGC功能与SNP具人群特异性差异。基于阴道宏基因组同步提取宿主基因型进行的M-GWAS发现OPRK1—解脲脲原体、ADAP1—L. mulieris、PRAMEF1—B. piotii等跨队列可重复关联，佐证宿主遗传塑造阴道微生物组。总之，GVMG为全球阴道微生物组及宿主—微生物共进化研究奠定重要基石。