早期生命人类肠道微生物组图谱构建及关键微生物驱动因子鉴定

《npj Biofilms and Microbiomes》：Compiling an early life human gut microbiome atlas and identification of key microbial drivers

　　本研究针对婴儿生命第一年肠道微生物组快速演变且个体差异大的问题，通过整合全球5288份健康婴儿粪便宏基因组数据，构建了早期生命肠道微生物组图谱，鉴定出六种早期生命群落状态类型（ELi-CSTs）及25个关键婴儿微生物调节因子（KIMMs）。研究人员通过建立包含182株测序菌株的生物库并进行共培养转录组分析，揭示了关键物种间的分子互作机制，为理解婴儿肠道微生物组组装机制提供了新的生态学和分子见解。

　　

生命最初的旅程充满了奇迹，而与我们一同启程的，是数以万亿计的肠道微生物。在婴儿出生后的第一年里，其肠道微生物组经历着一场剧烈而复杂的演变，从相对简单的初始状态逐步发展为一个多样化、功能成熟的生态系统。这个过程受到分娩方式、喂养方式、抗生素使用以及辅食添加等多种因素的共同影响，呈现出高度的动态性和个体差异性。尽管此前的研究已经描绘了这一发展过程的轮廓，但驱动早期生命肠道微生物群落组装和稳定的具体微生物物种及其相互作用的分子机制，仍然是一个亟待深入探索的“黑箱”。理解这些机制，对于促进婴儿健康发育、预防相关疾病具有至关重要的意义。

为了揭开婴儿肠道微生物组早期发展的神秘面纱，由Chiara Tarracchini、Marco Ventura等研究人员组成的国际团队在《npj Biofilms and Microbiomes》上发表了他们的最新研究成果。他们致力于构建一个全面的早期生命人类肠道微生物组图谱，并识别出在其中扮演关键驱动角色的微生物物种。

为了回答上述科学问题，研究人员整合运用了多项关键技术。首先，他们对来自全球多个独立研究的5288份健康足月婴儿粪便宏基因组数据进行了大规模的荟萃分析，并依据婴儿年龄将样本划分为新生儿期（0-1个月）、断奶前（1-6个月）和断奶后（6-12个月）三个阶段。利用Bray-Curtis距离进行层次聚类和轮廓分析，他们识别出不同的微生物群落状态类型。通过随机森林（Random Forest）机器学习算法和指示物种分析（Indicator Species Analysis）相结合的方法，精准鉴定了对区分不同群落状态至关重要的关键微生物物种。此外，研究团队通过广泛的微生物分离培养工作，建立了一个包含182株经基因组测序的婴儿肠道细菌分离株的生物库，这些菌株对应于鉴定出的关键物种。最后，他们利用婴儿肠道模拟培养基（IGSM）进行代表性菌株的共培养实验，并通过定量PCR（qPCR）和全转录组测序（RNA-seq）技术，定量评估了菌株间的生长影响并深入分析了其分子层面的互作机制。

RESULTS

Infant study cohort.

研究人员收集了来自全球不同地理区域的5288份公开可用的健康足月婴儿粪便宏基因组数据集，构建了一个具有全球代表性的婴儿队列。样本根据婴儿年龄被划分为新生儿期、断奶前和断奶后三个阶段，以捕捉年龄相关的微生物组变异。环境因子拟合分析（Envfit analysis）证实，地理因素和年龄是塑造婴儿肠道微生物群落结构的最强驱动力，其次是喂养方式和分娩方式。值得注意的是，分娩方式的影响在新生儿期最为显著，而喂养方式的影响在哺乳期及之后更为突出，地理因素则在断奶后成为主导因素，可能反映了不同地区引入固体食物的饮食习惯和社会文化差异。

Global compositional patterns of the gut microbiota from birth to one year.

通过基于Bray-Curtis相异性的层次聚类和轮廓分析，研究团队在婴儿队列中识别出六种重现的、具有显著差异的早期生命群落状态类型（Early-Life Community State Types, ELi-CSTs）。这些ELi-CSTs包括：以大肠杆菌（Escherichia coli）单一物种 dominance 为特征的ELi-CST2（Ec）；分别以长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）和短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）为主导的、富含双歧杆菌的ELi-CST4（Blo）和ELi-CST5（Bbr）；以及以拟杆菌科（Bacteroidaceae）成员高丰度为特征、更为异质和复杂的ELi-CST1（Ba）、ELi-CST3（mix）和ELi-CST6（mix），后者更接近于成人肠道微生物组的特征。ELi-CST1和ELi-CST4是队列中最普遍的两种类型。ELi-CST的分布与婴儿发育阶段显著相关，呈现出明显的年龄依赖性。例如，ELi-CST2（Ec）在新生儿期显著富集，随后其流行度随年龄增长而下降；而ELi-CST1（Ba）和ELi-CST6（mix）则主要与断奶后阶段相关，表明其代表着向更成熟微生物组装的过渡。随机森林预测模型进一步证实年龄是ELi-CST分类的最重要预测因子，但地理因素也对某些ELi-CST（如ELi-CST4）的分布有显著调节作用。此外，微生物组的α多样性（以香农指数Shannon index衡量）随着婴儿年龄增长而显著增加，并且在以断奶后婴儿为主的ELi-CSTs中具有更高的值。

Unveiling microbial key drivers of infant gut microbiota development using machine learning.

为了精确识别塑造不同ELi-CSTs的关键微生物物种，研究人员结合使用了随机森林分类器和指示物种分析（IndVal）两种方法。他们鉴定出25个对ELi-CSTs的形成具有重要影响的关键婴儿微生物调节因子（Key Infant Microbial Modulators, KIMMs），其中13个物种被两种方法共同认定为最关键。这些KIMMs包括在特定ELi-CST中占主导地位的物种，如ELi-CST2中的E. coli，ELi-CST4中的B. longum，ELi-CST5中的B. breve，以及ELi-CST1和ELi-CST6中的多种拟杆菌科（如Bacteroides fragilis, Bacteroides uniformis）和成人型物种（如Faecalibacterium prausnitzii, Agathobacter rectalis）。值得注意的是，ELi-CST3（mix）缺乏强力的、统计学上稳健的关键调节因子，暗示其可能是一个过渡性或混合的微生物状态。进一步地，通过共现网络分析，研究人员发现了九个共变物种簇（Clusters of Co-varying Species, CSCs），这些簇内的物种呈现强烈的正相关，而簇间则多为负相关，反映了潜在的生态互作单元。其中七个CSCs包含了KIMMs，并且部分CSCs与特定的ELi-CSTs紧密关联，例如包含B. longum, B. bifidum和B. breve的CSC5与双歧杆菌主导的ELi-CST4和ELi-CST5相关，这支持了关键物种通过互作来稳定群落结构的观点。

Assessment of in vitro cross-talk through dual co-culture.

为了实验验证关键微生物物种间的相互作用，研究人员从建立的生物库中选取了代表断奶前（B. bifidum PRL2015, B. longum subsp. longum PRL2016）和断奶后（Bacteroides fragilis 318F, Bacteroides uniformis 324F）ELi-CSTs的菌株进行共培养实验。结果表明，B. longum与B. bifidum共培养时，两者生长均显著增强，表现出协同作用。同时，B. longum也能促进B. bifidum和Bacteroides fragilis的生长。转录组分析显示，B. longum与B. bifidum共培养时，两者均有大量基因表达发生改变（交叉对话指数Cross-talk index分别为36%和23%），其中涉及碳水化合物摄取和代谢（如糖苷水解酶GH20, GH101家族成员）的基因显著上调，表明其代谢活动增强以适应共培养环境。尤为重要的是，当B. longum与两种Bacteroides物种共培养时，它能诱导后者上调多个Sus样多糖利用位点（Polysaccharide Utilization Loci, PULs）的表达，这些PULs编码参与宿主粘蛋白O-聚糖和HMOs降解的酶（如GH18, GH95, α-L-岩藻糖苷酶）。这表明B. longum的存在可能为拟杆菌在肠道中的定植和 persistence 提供了营养优势，尤其是在饮食向包含更多植物源性糖类过渡的时期。

DISCUSSION

本研究通过整合宏基因组学、生态学分析和实验验证，深入揭示了婴儿生命第一年肠道微生物组的组装动态和关键驱动因子。研究所确定的六种ELi-CSTs不仅捕捉了婴儿肠道微生物组随时间的转变，也揭示了地理因素对特定微生物轨迹（如亚洲人群中双歧杆菌主导的ELi-CST4）的塑造作用。鉴定出的25个KIMMs作为生态支架，通过预测的代谢互补和竞争关系，影响着早期生命肠道群落的结构和稳定性。体外共培养和转录组分析进一步从分子层面证实了关键物种间存在复杂的交叉对话，特别是B. longum subsp. longum在促进早期定植者和断奶后相关物种整合方面可能扮演了“协调者”的角色，有助于婴儿期微生物群落的组成过渡。

这项研究的结论将早期生命肠道微生物组的研究从描述性关联推向了机制性探索，为未来开发针对婴幼儿肠道健康的微生态干预策略（如益生菌、益生元）提供了重要的理论依据和候选菌株资源。尽管存在样本异质性、批次效应和部分元数据不全等局限性，但本研究构建的全球性婴儿肠道微生物组图谱、鉴定的关键微生物物种及其互作机制，为理解人类生命早期微生物生态系统的建立和功能奠定了坚实的基础。未来的纵向研究结合多组学数据以及更复杂的体外模型（如肠道芯片），将有助于更精细地解析群落状态转变的动力学和功能后果。