四域肠道宏基因组学揭示冠状动脉疾病和急性心肌梗死中的古菌中心跨界重构

《iScience》：Four-domain gut metagenomics reveals archaeal-centered cross-kingdom remodeling across coronary artery disease and acute myocardial infarction

　　

心血管微生物组研究主要集中于细菌类群和途径。研究人员对急性心肌梗死（AMI）患者和健康对照的粪便古菌、细菌、真菌和病毒进行了分析。在部分子集中检查了配对的血浆代谢组学。一个独立的血管造影定义队列包括血管造影正常的对照、严重冠状动脉疾病（CAD）和AMI。经过多重检验校正后，没有古菌属表现出差异丰度。在发现队列中，古菌-细菌相关性在健康对照中主要为正，在AMI中主要为负，同时古菌-真菌重塑显著。扩展队列在严重CAD和AMI之间识别出符号翻转的古菌-病毒组边缘，而严重CAD表现出最低的古菌-细菌连接性。血浆代谢组学捕捉到广泛的AMI相关全身性转变。这些发现表明，肠道古菌信号通过冠状动脉疾病状态的多界生态组织表达。

冠状动脉疾病（CAD）和急性心肌梗死（AMI）是全球死亡和发病的主要原因。以往的心血管微生物组研究多聚焦于细菌类群及其代谢途径，而作为人类胃肠道核心居民的古菌（尤其是产甲烷菌）通过消耗H₂/CO₂和甲基胺参与种间氢转移，从而重塑发酵生态和氧化还原条件，但在AMI队列中的群落结构和功能潜力仍未被充分刻画。此外，真菌和病毒等其他微生物域在多域肠道生态系统中的相互作用也 largely 未明确。为了填补这些空白，研究人员开展了一项以古菌为中心、涵盖四个域（古菌-细菌-真菌-病毒）的粪便宏基因组研究，以界定肠道古菌如何嵌入多界群落结构，并明确所观察到的AMI与健康对照之间的差异是反映慢性动脉粥样硬化负担还是急性事件状态的重塑。该研究得出结论，肠道古菌信号在冠心病状态中通过多界生态组织表达，扩展了以细菌为中心的心血管微生物组模型，并为未来的多界生态验证指明了方向。该研究发表在《iScience》。

在技术方法方面，研究采用两阶段队列设计，样本来自北京朝阳医院的三个院区。发现队列包含36名AMI患者和46名健康对照，扩展队列由血管造影定义，包含22名造影正常对照（CON）、29名严重CAD患者和35名AMI患者。粪便样本经过鸟枪法宏基因组测序，并在发现队列采用基于标记基因的读取策略，在扩展队列采用基于组装/重叠群的策略。部分发现队列受试者进行了非靶向血浆液相色谱-质谱联用（LC-MS）代谢组学分析。研究通过错误发现率（FDR）控制的跨域相关性筛选和差异相关性（重塑）分析评估群落结构，并使用模块化近偏相关等条件模型和自举/排列稳定性分析进行验证。

在研究结果方面，研究包含以下主要发现：

分析集：在经过多重检验校正后，无论是在发现队列的AMI与健康对照比较中，还是在扩展队列的CON-CAD-AMI比较中，均未发现任何差异丰富的古菌属。

属级古菌中心相关性筛选表明AMI相关的古菌-细菌（A-B）符号转变和扩展的古菌-病毒组共变异：在发现队列中，A-B相关性在健康对照中主要呈正相关，而在AMI中主要呈负相关。A-V共变异边缘在AMI组中更为密集，涉及Methanofervidicoccus和Odinarchaeum等分类群，表明AMI伴随着古菌-病毒组共变异的扩展和特定分类群相关性的符号转变。

功能性古菌ROI指定注释衍生的氧化三甲胺N-氧化物（TMAO）相关电子转移评分为最广泛的多界相关物：在预设的三个古菌功能ROI评分中，与甲烷生成相关的评分信号有限，而TMAO_ET_score表现出最广泛且方向一致的正向耦合，是与多界群落变异最广泛的古菌功能ROI相关物。

条件性（模块级）网络在排列控制推断下保持FDR稀疏性：在对细菌、真菌和病毒进行模块化总结后，通过近偏相关估计，在AMI或健康对照中均未保留显著的古菌-模块边缘。这表明属级跨域共丰度模式主要是由更广泛群落结构中的共享嵌入所解释。

差异相关性测试将AMI-健康对照重塑主要定位在古菌-真菌层：在测试的边缘中，有151个符合差异相关标准，其中93%集中在古菌-真菌（A-F）层，表明AMI相关的跨域重塑主要集中在A-F层。

扩展队列支持CAD相关的A-B低连接状态和病毒组相关的CAD-AMI转变模式：在扩展队列中，严重CAD表现出最低的A-B连接性，且所有显著的A-B边缘均呈负相关。直接CAD与AMI差异相关性测试识别出5个转变边缘，全部呈现符号反转，其中3个为A-V共变异边缘，突出了病毒组相关的急性转变模式。

微生物组-代谢组耦合：非靶向血浆LC-MS分析捕获了广泛的AMI相关全身代谢转变，但未发现古菌ROI评分与血浆代谢物之间存在FDR稳健的关联，表明古菌粪便信号更易作为局部肠道生态状态被检测，而非作为广泛的循环替代物。

AMI严重程度关联：探索性分析表明，Methanobrevibacter与峰值心脏肌钙蛋白I（cTnI）呈正相关，而Methanosphaera与左心室射血分数（LVEF）呈负相关，表明某些古菌中心的生态状态可以追踪与心肌损伤相关的主表型。

在讨论与结论部分，研究指出AMI中的肠道古菌更多是作为一种依赖状态的生态信号，而非强差异类群。数据表明，古菌信号主要通过跨界组织表达，例如A-B相关符号的转变、重塑集中的微生物域以及CAD到AMI转变边缘的出现。严重CAD表现为A-B低连接背景状态，而AMI则伴随选择性的重新耦合和A-V共变异模式。功能上，TMAO相关的电子转移评分作为比甲烷生成更广泛的多界耦合生态标志。临床锚定分析表明，特定古菌属与心肌损伤和收缩功能相关，但观察到的重塑可能受到住院早期治疗和状态的影响，需通过纵向采样和更深入的真菌组分辨率验证。研究结论表明，AMI的特征更多在于跨界网络重塑而非古菌差异丰度，严重CAD表现为低连接状态，而AMI伴随着CAD-AMI转变中的A-V共变异模式，这些发现为未来的多界微生物组验证提供了候选类群和功能信号。