浸大跨學科研究團隊揭示人類腸道微生物群的特定人群模式

人類消化道蘊藏著一個複雜的微生物生態系統，在維持健康和調節疾病方面有著關鍵作用。腸道微生物群常被稱為人體的「第二基因組」，受地理環境、飲食及生活方式等因素影響，其組成在全球不同人群之間存在顯著差異。然而，過往研究主要集中於物種的相對豐富度（relative species abundance），幾乎完全忽略了由單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphisms，簡稱 SNPs）所代表的基因微調。 

為了填補這空白，由副校長（研究及拓展）呂愛平教授、以及計算機科學系副教授張璐教授領導的跨學科研究團隊，利用全新構建的參考目錄，系統性地比較了華人與非華人的腸道菌群

地理因素 - 微生物變異的主要誘因

在《Exploring differences in the human gut microbiome between Han Chinese and non-Chinese populations》研究中，研究人員編製了「人類腸道微生物組參考基因組目錄」（Human Gut Microbiome Reference Genome Catalog，簡稱 HGMRGC），以深入分析人口層面的差異；當中有 271,480 個非重複基因組，包含 5,785 個物種級參考基因組。通過評估來自多國數千人的發現隊列（discovery cohort）和驗證隊列（replication cohort），該研究證實地理根源是腸道微生物變異的首要決定因素。相較於年齡、性別或身體質量指數，地理根源能解釋更多在分類學豐富度及 SNP 譜系上的變異。無論是在國際範圍內，還是在中國不同的地理次區域之間，這種主導影響均保持一致。  

飲食適應與功能差異

人口之間的深層基因差異反映了不同的文化與飲食習慣。例如，對柯林斯菌屬（Collinsella）的分析揭示了 689 個人口特異性的基因組叢集。華人特異性叢集在 β-葡萄糖苷利用途徑（beta-glucoside utilisation pathways）中展現出顯著的富集，有利於分解植物來源的纖維。相反，非華人叢集則在乳糖利用途徑方面呈現富集現象，這與富含乳製品的傳統西方飲食習慣相契合。 

研究人員亦在特定菌種中觀察到進一步的基因組適應性。腸糞桿菌（Faecalibacillus intestinalis）是一種對飲食干預極為敏感的細菌，在與碳水化合物代謝相關的基因 SNP 變異驅動下，展現出最顯著的地理差異。同樣地，在大腸桿菌 C 株（Escherichia coli C）中，參與乳糖代謝的基因在非華族人群隊列中呈現較低的遺傳多樣性，這顯示出更強的演化選擇。同時，與咖啡消耗相關的菌種無糖勞森菌 （Lawsonibacter asaccharolyticus），則在非華人中表現出遠為豐富的基因多樣性。 

代謝能力、抗藥性與健康

除了碳水化合物處理能力，有 108 個物種在兩組人群之間的流行率呈現顯著差異。在華族人中較為常見的物種，對 B 族維生素和維生素 K2 的從頭合成（de novo biosynthesis）展現出更高的代謝能力，並具備增強的糖解作用（glycolysis）和葡萄糖利用能力。然而，這些物種同時亦富含賦予抗微生物肽（antimicrobial peptides）和 β-內醯胺抗生素（beta-lactam antibiotics）抗藥性的基因，反映了歷史上的抗生素暴露模式。此外，華族人盛行的物種還帶有產生與心血管疾病風險相關之代謝物三甲胺（trimethylamine）的途徑，表明保護性維生素合成與疾病相關途徑共存的複雜代謝格局。 

豐富度與基因多樣性之間的分歧

研究的一個關鍵見解是微生物多樣性衡量指標的對比特性。基於微生物豐度來看，非華族人群表現出更高的物種級 Alpha 多樣性。然而，當通過 SNP 在基因組層面評估多樣性時，華族人則展現出顯著更高的種內基因多樣性（intra-species genetic diversity）。Beta 多樣性分析進一步證實，無論是在豐度還是 SNP 變異方面，不同人群之間的微生物群落差異，遠大於同人群內部的差異 。

這些研究結果強調了在傳統物種剖析之外，納入高解析度基因組數據的必要性。通過建構能夠充分代表尚未獲得足夠研究之人群的參考目錄，研究人員將能更好地理解局部演化壓力如何塑造人類微生物組，以及其對全球健康的更廣泛啟示。 

論文發表於《Genome Biology》：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41545888

呂愛平教授

中醫藥學院

張璐教授

科學與科技學院