多级聚合分析肠道微生物组组成与宿主基因表达揭示其与全身及局部免疫的关联

《Microbiology Spectrum》：Multi-level aggregation analysis of microbiome composition and host gene expression reveals associations with systemic and local immunity

　　

研究人员分析了315名健康个体的宿主基因表达与肠道微生物组组成之间的关联，整合了来自三个肠道部位（回肠、横结肠和直肠）及六种免疫细胞类型的基于微阵列的基因表达数据与微生物组测序数据。采用结合主成分分析（PCA）、聚类和协变量校正的分层特征聚合策略，研究人员发现了主要与免疫相关的重要关联。尽管三个肠道部位的微生物谱相似，横结肠产生了最多的“微生物组-宿主基因表达”关联；在免疫细胞类型中，CD8+细胞展现出最高数量的关联。微生物组组成的第一主成分（mPC1）反映从共生菌（如Ruminococcaceae和Christensenellaceae）到促炎分类单元（[Ruminococcus] gnavus和Lachnoclostridium）的梯度，与TNF-α（肿瘤坏死因子-α）相关基因（HMOX1、CPI17、HSD3B2和SLC5A1）的表达相关。在单个属层面，Catenibacterium丰度与肠道和免疫细胞中的基因表达均有关联，包括在横结肠与MRPS21（线粒体功能相关）的负关联，以及与CD8+细胞中T细胞分化相关基因程序的负关联。这些发现与新兴证据——即线粒体功能障碍参与肠道炎症——一致。结果表明肠道微生物组与宿主基因表达间存在多级关联，提示微生物群塑造局部和全身免疫的潜在机制及其反向作用。所涉及的基因和分类单元可作为实验验证的候选，以增进对宿主-微生物组稳态及疾病中稳态破坏的理解。

研究背景与立项依据

肠道微生物组在宿主机体功能中发挥关键作用，其组成与宿主代谢组及多种疾病的发生、严重程度相关，其中与免疫系统的互作尤为引人关注。健康人体通过精细调控免疫系统，在仅由单层肠上皮分隔的庞大菌群面前维持“耐受-防御”平衡，但菌群高度可变且缺乏统一“健康”参照，其分子链路仍不清楚。既往宿主-微生物组研究多聚焦炎症性肠病（IBD）、代谢病等病例对照，易受治疗等混杂因素干扰，且在健康人群中开展的多组学层级建模不足。为填补空白，研究人员在315名健康受试者中，同步获取回肠、横结肠、直肠活检微生物组（16S rRNA多区扩增子）与对应组织及外周血六种免疫细胞（CD4⁺、CD8⁺、CD19⁺、CD14⁺、CD15⁺ T/B/单核/粒细胞及血小板）基因表达谱，采用多级分层特征聚合降低维度、控制混杂，系统挖掘微生物组-宿主转录组在局部与全身免疫层面的基线关联。该文发表于《Microbiology Spectrum》。

主要技术方法概括

研究人员依托比利时列日大学学术医院全国结直肠癌筛查中纳入的315名无癌、无自身免疫与炎症病、未用糖皮质激素或非甾体抗炎药的健康队列；微生物侧取回肠/横结肠/直肠活检并行V1V2/V3V4/V5V6三区16S扩增子测序，经污染物剔除、centered-log-ratio（clr）变换与混合模型校正年龄/性别/BMI/吸烟/取样日期/部位/扩增子后跨部位与区合并；宿主侧采用Illumina HT12微阵列获三类肠组织与六类免疫细胞表达矩阵，同样校正协变量。多维聚合构建四类微生物特征（肠型enterotype、微生物主成分mPC、共丰度簇/单例属、mPC残差校正属丰度）与三类宿主特征（基因主成分gPC、WGCNA共表达簇/单例基因、gPC残差校正表达），以线性建模配对九种聚合层级对比，Benjamini-Hochberg与Sidak有效独立数校正，q<0.05为显著，并以稳健MM回归验证。

研究结果

建立基于多肠道部位与多16S区域的稳健微生物谱

扩增子间差异主要来自低丰度属，过滤后跨区Spearman中位数0.73–0.78；位点解释方差仅3.3%且无显著位点关联，故跨三部位三区线性校正后平均得每人均一微生物剖面用于后续关联。

分级聚合下的微生物组特征

优势属为Bacteroides（34.2%）、Prevotella（8.1%）、Faecalibacterium（5.5%）；Dirichlet-Multinomial分四肠型（Bact1/Bact2/Rum/Prev）；Louvain将145属聚为7簇118单例；PCA取前15个mPC解释44.1%方差；以15 mPC线性回归残差作为mPC校正属丰度。

分级聚合下的宿主表达特征

肠组织高表达HLA、MUC1、FCGBP、UGT、OLFM4等；免疫细胞高表达RPS26、CD3G、STAT1等。衍生gPC、WGCNA模块本征基因（module eigengene）、gPC校正表达三类特征。

微生物组与基因表达关联

九类层级对比共获20个q<0.05显著关联（17个主图、3个补充），多集中于免疫。

初级微生物轴主要关联横结肠免疫相关基因表达

mPC1正向载荷为Christensenellaceae、Ruminococcaceae、[Eubacterium] coprostanoligenes组，负向为Anaeroglobus、Brochothrix、[Ruminococcus] gnavus组；横结肠中mPC1负关HSD3B2、SLC5A1，正关HMOX1、CBX6（边缘正关CPI17），均与TNF-α链路及抗炎/平滑肌收缩相关；肠型间表达无差异。

Catenibacterium丰度关联全身免疫与局部炎症

Catenibacterium（Erysipelotrichaceae科）以3项关联居首：在CD8⁺细胞正关gPC5（白细胞介素信号富集）、负关基因簇12（rRNA加工/翻译）；在横结肠负关MRPS21（线粒体核糖体蛋白S21，线粒体翻译），呼应线粒体功能障碍促IBD假说；该属亦为mPC11主要负载荷。

主成分校正揭示新关联

mPC/gPC残差空间中，Lachnospiraceae UCG-008负关CD8⁺中CCNE1（细胞周期素E1），Ruminococcaceae UCG-003负关CD19⁺中SCAMP1（分泌/内吞相关）；原原始P>10^?5不显著，校正后显露，证明PCA残差策略可解耦隐藏依赖。

讨论与结论翻译

人类肠微生物社区与免疫系统的关系是宿主-微生物互作中最复杂者之一。本研究在大型健康队列中跨肠组织与免疫细胞建模，排除癌/自免/炎症干扰，提供基线参照。分级聚合兼顾广域系统与细粒度分类-基因链路：Catenibacterium跨局部与全身复现关联，MRPS21负关提示线粒体翻译抑制；mPC1承载共生-促炎梯度，横结肠HMOX1/SLC5A1/HSD3B2/CPI17表达与其联动，经TNF-α介导假说成立；自适应免疫（CD8⁺/CD4⁺/CD19⁺）而非固有免疫（CD14⁺/CD15⁺）捕获显著信号，横结肠而非回肠/直肠为热点。主成分残差校正释放被多模态主信号掩盖的关联。所得分类单元与基因（TNF-α相关、线粒体途径、Catenibacterium-MRPS21/CD8⁺程序）构成实验验证候选，可为粪菌移植、活体生物药等微生物驱动免疫调制奠基。研究人员结论：多级聚合识别健康人肠道微生物组与宿主基因表达的多层关联，揭示微生物塑造局部与全身免疫及反向作用的潜在机制，所提候选可供后续培养组学、肠芯片与动物模型印证。