Cell | 健康人体肠道真菌组及其潜在生物功能

文献链接：Single-cell transcriptomics across 2,534 microbial species reveals functional heterogeneity in the rumen microbiome
发表期刊：《Cell》
影响因子：45.5
时间：2024年5月

1. 肠道真菌的分离培养和测序

135 个健康人的粪便样本 用于 真菌培养
12,453 真菌被分离培养获得，744例培养的菌株被用来做全基因组测序（基于18s和ITS的初步结果）
获得了760个组装基因组（鉴定出16个具有多个基因组的分离株，进一步将其分为32个基因组）
获得69个未被报道的新基因组
在CGF中，我们确定了三个主要的真菌门：子囊菌门(32个科，156个物种，644个基因组）、担子菌门（9个科，36个物种，85个基因组）和黏菌门（6个科，14个物种，31个基因组）。除了常见的黏膜富集真菌如念珠菌和酿酒酵母外，本CGF目录还包括多种与腔道相关的真菌，包括曲霉和枝孢霉。尽管腔道相关真菌在肠道中活性不高，但我们的基因组水平功能分析显示，其中一些主要属于盘菌纲的真菌可能发挥关键代谢作用。

图1. 从人体肠道培养的206种菌的系统发育树

2. CGF基因组功能性分析

cultivated gut fungi (CGF)
publicly available human-associated fungi (PHF)

图2. "培养真菌(CGF)"的功能分析

3. 真菌基因在人类肠道中的适应性

碳水化合物活性酶(CAZymes)
与其他真菌谱系相比，Pezizomycotina物种编码的多样化CAZyme比例显著更高.具体来说，这些真菌表达了大量的植物细胞壁降解酶（PCWDEs），这些酶以纤维素、半纤维素、淀粉和果胶为目标.

图3. 肠道真菌可发酵底物的降解潜力与次级代谢产物的生物合成

4. CGF种属在体外过程产生的初级代谢物特征

根据基因功能分析，用代谢组的方式对此验证（代谢水平是否与基因功能正相关）

图4.肠道真菌主要代谢产物概览

5. 肠道真菌的宏基因组数据的参考基因组

创建真菌参考基因组数据库对于准确测量粪便宏基因组数据集中真菌群落的组成具有重要意义。

作者开发了用于真菌的比对算法，适用于基因组资源较少，尤其是丰度较低的真菌

通过构建一个真菌基因组参考数据库，开发先进的算法作为准确的定量工具，旨在挖掘肠道真菌菌群的特征以及与常见疾病的潜在联系

图5. 通过CGF和PHF描述肠道真菌菌群

6. 肠道真菌群的多样性和结构组成与常见疾病相关联

在中国人群中所有调查样本中，患病个体的香农多样性指数显著低于健康对照组

图6.常见疾病中的肠道真菌群落特征及用于鉴别的真菌标志物

鉴于不同疾病中真菌组变化的程度各不相同，作者接下来确定这些变化是否在不同疾病之间表现出独特或重叠的模式。

7. 共享或疾病特异性的真菌标志物

肠道真菌对疾病的影响可能更多地通过次级代谢体而不是初级代谢体来体现。

观察到帕金森病（PD）、痛风、系统性红斑狼疮和艾滋病感染患者的粪便宏基因组中总SMGC基因丰度显著增加，与健康个体相比，这突显了真菌次级代谢在这些疾病相关代谢特征形成中的潜在作用。

8. 通过全球样本和动物实验探索IBD相关肠道真菌

通过调用公共数据集分析疾病组和对照组，多变量分析显示，疾病状态对不同数据集中的总体真菌组成具有微弱但显著的影响。

在每个数据集中进行疾病与对照比较，可识别出大量与IBD相关的真菌特征，包括15个科、24个属和44个种（Wilcoxon秩和检验，q < 0.05）

为了验证IBD的肠道真菌标志物，选择了九种培养菌株（两个富集IBD、四个缺乏IBD和三个非显著物种），通过口服移植到野生型小鼠体内，以评估其对硫酸葡聚糖钠（DSS）诱导的结肠炎的生物学效应。

观察结肠炎相关症状，如疾病活动指数（DAI）和结肠长度

推测3种保护型的菌种，其物种发酵制备的总代谢物存在缓解小鼠DSS诱导结肠炎方面的潜力，代谢组学验证：真菌衍生的非环状倍半萜通过激活法尼醇X受体（FXR）来减轻实验性结肠炎（可能通过类似的机制发挥作用），因为在真菌移植无菌和野生型小鼠的结肠组织中观察到FXR靶基因（即Fgf15和Shp）表达显著上调

IBD的真菌标志物及真菌对小鼠DSS诱导结肠炎的生物学作用

后记
当前的一系列CGFs及其相应的基因组和代谢组数据集，代表了一种尚未充分利用的资源，可以用于进一步研究人类肠道真菌组的生态和功能。
文章的研究结果来自大规模粪便宏基因组数据集，揭示了肠道真菌组与多种常见人类疾病之间的重要联系