浸大跨学科研究团队揭示人类肠道微生物群的特定人群模式

人类消化道蕴藏著一个复杂的微生物生态系统，在维持健康和调节疾病方面有著关键作用。肠道微生物群常被称为人体的「第二基因组」，受地理环境、饮食及生活方式等因素影响，其组成在全球不同人群之间存在显著差异。然而，过往研究主要集中於物种的相对丰富度（relative species abundance），几乎完全忽略了由单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphisms，简称 SNPs）所代表的基因微调。 

为了填补这空白，由副校长（研究及拓展）吕爱平教授、以及计算机科学系副教授张璐教授领导的跨学科研究团队，利用全新构建的参考目录，系统性地比较了华人与非华人的肠道菌群

地理因素 - 微生物变异的主要诱因

在《Exploring differences in the human gut microbiome between Han Chinese and non-Chinese populations》研究中，研究人员编制了「人类肠道微生物组参考基因组目录」（Human Gut Microbiome Reference Genome Catalog，简称 HGMRGC），以深入分析人口层面的差异；当中有 271,480 个非重复基因组，包含 5,785 个物种级参考基因组。通过评估来自多国数千人的发现队列（discovery cohort）和验证队列（replication cohort），该研究证实地理根源是肠道微生物变异的首要决定因素。相较於年龄、性别或身体质量指数，地理根源能解释更多在分类学丰富度及 SNP 谱系上的变异。无论是在国际范围内，还是在中国不同的地理次区域之间，这种主导影响均保持一致。  

饮食适应与功能差异

人口之间的深层基因差异反映了不同的文化与饮食习惯。例如，对柯林斯菌属（Collinsella）的分析揭示了 689 个人口特异性的基因组丛集。华人特异性丛集在 β-葡萄糖苷利用途径（beta-glucoside utilisation pathways）中展现出显著的富集，有利於分解植物来源的纤维。相反，非华人丛集则在乳糖利用途径方面呈现富集现象，这与富含乳制品的传统西方饮食习惯相契合。 

研究人员亦在特定菌种中观察到进一步的基因组适应性。肠粪杆菌（Faecalibacillus intestinalis）是一种对饮食干预极为敏感的细菌，在与碳水化合物代谢相关的基因 SNP 变异驱动下，展现出最显著的地理差异。同样地，在大肠杆菌 C 株（Escherichia coli C）中，参与乳糖代谢的基因在非华族人群队列中呈现较低的遗传多样性，这显示出更强的演化选择。同时，与咖啡消耗相关的菌种无糖劳森菌 （Lawsonibacter asaccharolyticus），则在非华人中表现出远为丰富的基因多样性。 

代谢能力、抗药性与健康

除了碳水化合物处理能力，有 108 个物种在两组人群之间的流行率呈现显著差异。在华族人中较为常见的物种，对 B 族维生素和维生素 K2 的从头合成（de novo biosynthesis）展现出更高的代谢能力，并具备增强的糖解作用（glycolysis）和葡萄糖利用能力。然而，这些物种同时亦富含赋予抗微生物肽（antimicrobial peptides）和 β-内醯胺抗生素（beta-lactam antibiotics）抗药性的基因，反映了历史上的抗生素暴露模式。此外，华族人盛行的物种还带有产生与心血管疾病风险相关之代谢物三甲胺（trimethylamine）的途径，表明保护性维生素合成与疾病相关途径共存的复杂代谢格局。 

丰富度与基因多样性之间的分歧

研究的一个关键见解是微生物多样性衡量指标的对比特性。基於微生物丰度来看，非华族人群表现出更高的物种级 Alpha 多样性。然而，当通过 SNP 在基因组层面评估多样性时，华族人则展现出显著更高的种内基因多样性（intra-species genetic diversity）。Beta 多样性分析进一步证实，无论是在丰度还是 SNP 变异方面，不同人群之间的微生物群落差异，远大於同人群内部的差异 。

这些研究结果强调了在传统物种剖析之外，纳入高解析度基因组数据的必要性。通过建构能够充分代表尚未获得足够研究之人群的参考目录，研究人员将能更好地理解局部演化压力如何塑造人类微生物组，以及其对全球健康的更广泛启示。 

论文发表於《Genome Biology》：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545888

吕爱平教授

中医药学院

张璐教授

科学与科技学院