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研究背景

Background

人类肠道内存在大量真菌，被称为肠道真菌群落(gut mycobiome)。尽管其数量只占肠道微生物的很小一部分，但肠道真菌对各种生理和病理过程有重要影响。

一直以来，肠道真菌的参考基因组数据库的缺乏，限制了对肠道真菌种群组成的高通量测序数据的准确定量，也限制了使用转录组学和蛋白质组学对肠道真菌进行深入研究。

研究意义

Significance

该研究通过大规模培养和基因组测序，建立了一个包含760个基因组的培养肠道真菌(CGF)目录，该目录显著增加了肠道真菌物种和蛋白质家族的基因组资源。

此外，还通过将CGF目录与公开可用的人类相关真菌(PHF)基因组资源结合起来，对来自中国人群和非中国人群的肠道真菌组进行了分析。鉴定出疾病共有和特异性肠道真菌特征，并通过动物实验进一步阐明它们与IBD的关联。

这种广泛的CGF资源为人类肠道菌群的生物学意义提供了新的见解，为未来的研究和应用提供了宝贵的资源和方法，有望刺激该领域未来的实验研究。（图1）

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1

菌株培养和基因组测序：研究人员从健康志愿者的粪便中培养出760株肠道真菌，并对其进行全基因组测序，建立了肠道真菌培养物（CGF）目录。这些基因组为后续研究提供了宝贵的资源，揭示了肠道真菌的遗传多样性和功能潜力。

2

功能基因组学分析：对760个CGF基因组进行功能分析，预测了大量的蛋白质编码基因和次级代谢基因簇，揭示了肠道真菌的代谢潜能和功能多样性，有助于理解其对肠道环境的适应机制。

3

靶向代谢组学分析：对199个CGF物种进行体外代谢组学分析，鉴定了241种初级代谢产物，包括脂肪酸、氨基酸、有机酸等，揭示了不同亚门肠道真菌的代谢特征。

4

粪便宏基因组测序：收集并分析了超过11,000个粪便宏基因组数据，包括中国人群（28种疾病或亚健康状态）和非中国人群（多种国家），揭示了肠道真菌群落与疾病状态的关系，发现了一些与疾病相关的真菌特异性标志物。

5

动物实验：通过动物实验验证了某些肠道真菌对炎症性肠病的发生有促进或抑制作用，为研究肠道真菌在疾病中的作用机制提供了实验依据。

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一、

肠道真菌的培养和基因组测序

研究人员使用多种真菌特异性培养基从135名健康志愿者的新鲜粪便标本中培养真菌。总共获得760个组装基因组，形成完整性较高的CGF目录。在新测序的物种中，58个隶属于已知属，而其余11个根据其ANI值(平均核苷酸 identity，来区分肠道真菌的物种)和与已知真菌的系统发育关系被分类在科或更高的分类水平。

在CGF中，确定了三个主要的真菌门:子囊菌门，担子菌门和毛霉门。丝状子囊菌属的曲霉属、青霉属、踝节菌属在CGF目录中占主导地位。其他显著的真菌类群包括典型酵母菌(酵母菌亚门)，如念珠菌和毕赤酵母。

值得注意的是，69个新测序的物种广泛分布在不同的分类分支中，这表明NCBI（美国国家生物技术信息中心）数据库中可能还有其他来自人类的未培养物种。结果表明，此次CGF目录显著增加了可培养肠道真菌的数量，部分分属中的大多或所有物种都在CGF中被完全鉴定出来。此外，高比例的CGF物种被发现与从动物和自然栖息地分离的可用NCBI基因组共享，表明外部环境和人类肠道之间存在潜在的真菌交换。（图2）

二、

CGF基因组的功能结构

检测出的CGF基因组编码蛋白质，使人类肠道真菌已知蛋白质序列多样性增加了247%，突出了CGF目录中蛋白质编码内容的相当新颖性。

eggNOG是一个生物信息学数据库，用于存储和查询基因的进化信息。eggNOG图谱的主坐标分析(PCoA)显示了四个真菌亚门之间的明显分离:子囊菌门，担子菌门、毛霉门和酵母菌门。

KEGG是“京都基因与基因组百科全书”（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes），提供了一个平台，用于集成和分析来自基因组、化学和系统生物学的各种数据。对于760个CGF基因组中的每一个，基于KEGG模块的完整性比率重构了核心功能通路。

功能配置分析显示，不同真菌亚门在功能配置上存在显著差异，与它们的生态位适应密切相关。（图3）

三、

真菌基因在肠道环境适应中的功能

可发酵底物(即多糖、蛋白质和脂质)的降解和次生代谢物的生物合成的功能可能在真菌对人类肠道环境的生态适应中发挥关键作用，研究人员试着探索促进这些适应的潜在基因库。

首先是碳水化合物活性酶（CAZymes）分析：共预测到532,809个CAZymes，占CGF物种总蛋白库的0.9%-9.3%。其中，Pezizomycotina物种编码的CAZymes比例显著高于其他真菌类群。这些真菌表达大量植物细胞壁降解酶（PCWDEs），能够降解纤维素、半纤维素、淀粉和果胶。

接着是蛋白酶和脂肪酶基因分析：在CGF基因组中检测到225,078个蛋白酶基因和188,425个脂肪酶基因，分别占CGF物种总蛋白组的1.3%-4.1%（平均2.9%）和0.2%-4.3%（平均2.3%）。Pezizomycotina物种表现出比其他亚门更高的脂质降解能力，而Saccharomycotina物种则表现出显著的蛋白水解能力。

以及次级代谢基因簇（SMGCs）分析：在CGF基因组中总共发现了22,762个SMGCs。Pezizomycotina基因组中SMGCs的比例最高，其中92.7%的SMGC家族是独特的。这些SMGC家族主要被单个物种（45.3%）或属（67.6%）编码。

以上，真菌基因在碳水化合物、蛋白质和脂质代谢以及次级代谢中的功能，可能有助于真菌在肠道环境中的生态适应。（图4）

四、

初级代谢产物的体外表征

研究人员对199个肠道真菌物种进行了体外靶向代谢组学分析，以表征这些物种产生的初级代谢产物。他们测量了冻干真菌粉末中的241种初级代谢产物，包括56种脂肪酸及其衍生物、55种氨基酸及其衍生物、33种有机酸、26种碳水化合物和25种苯类化合物。

结果表明，在216种最丰富的代谢产物中，有166种在四个子门（Mucoromycota、Pezizomycotina、Saccharomycotina和Basidiomycota）之间显示出显著的浓度差异。Pezizomycotina富含各种氨基酸、苯类化合物、碳水化合物和有机酸，Saccharomycotina富含其他氨基酸和脂肪酸，Basidiomycota则富含某些有机酸。PCoA分析显示，真菌子门之间初级代谢产物的谱线有显著的分歧，暗示它们在肠道环境中的生态适应和潜在的生理作用。

五、

参考基因组绘制肠道真菌图谱

由于直接将reads映射到真菌基因组存在困难，研究人员从最近开发的用于超低丰度细菌高精度定量的算法中获得灵感，开发了一种新的算法，该算法同时考虑了reads与真菌物种特异性基因和共享基因的对齐，可以实现高精度的真菌宏基因组定量。

在真菌基因组参考数据库的基础上，利用定量工具，旨在探索肠道真菌群落的特征及其与常见疾病的潜在联系。通过对6756个中国人群的粪便宏基因组样本和6188个非中国人群的样本进行分析，研究人员能够从宏基因组数据中准确地定量各种真菌物种的相对丰度。

基于算法对宏基因组数据的分析结果，研究人员绘制了不同人群和疾病状态下的肠道真菌图谱。他们能够识别出与健康状态和各种常见疾病相关的真菌组成差异。

六、

共享的和特定疾病的肠道真菌特征

研究人员收集并分析了超过11,000个粪便宏基因组样本，覆盖了28种疾病或亚健康状态的中国人群以及多种国家的人群。通过比较疾病组和对照组，研究人员识别出522个独特的肠道真菌差异特征，包括109个科级、171个属级和242个种级特征，这些特征与多种疾病相关。（图5）

通过动物实验验证了某些与炎症性肠病相关的肠道真菌对小鼠结肠炎的影响，结果表明，一些真菌（如念珠菌属和马拉色菌属）在多种疾病中富集，而其他有益的微生物则减少。此外，研究人员还发现了一些疾病特异性的肠道真菌特征，这些特征在不同疾病中表现出不同的丰度模式。例如，白色念珠菌在多种疾病中显著富集，而与炎症性肠病相关的特征则在小鼠实验中显示出促进或缓解结肠炎的能力。（图6）

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目前的CGF集及其相应的基因组和代谢组数据集代表了一种很大程度上未开发的资源，可用于进一步研究人类肠道菌群的生态学和功能。

研究人员提到：未来的研究应侧重于设计新的方法来利用肠道菌群的潜力，例如从不同的食物来源中提取营养，与细菌微生物群合作或竞争，以及保护宿主免受潜在疾病的侵害等。

参考文献

[1] A genomic compendium of cultivated human gut fungi characterizes the gut mycobiome and its relevance to common diseases. Yan, Qiulong et al. Cell, Volume 0, Issue 0

PROFILE

马骁驰：大连医科大学药学院教授

Francis M. Martin：法国农业科学研究院（INRA）院士

果德安：中国科学院上海药物研究所研究员

王超：大连医科大学药学院教授

END

文案 | 姜笑南

排版 | 姜笑南

审核 | 夏诞

发布｜姜笑南

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