人体是由数万亿细菌、真菌、病毒和其他微生物组成的人体微生物群的宿主。哈佛大学医学院(HMS)和乔斯林糖尿病中心的研究人员现在已经分析了人类肠道细菌的基因组成，以及细菌基因群的遗传特征——疾病包括动脉粥样硬化性心血管疾病(ACVD)、肝硬化(CIRR)、炎症性肠病(IBD)、结直肠癌(CRC)和2型糖尿病(T2D)。

来自基因水平微生物组-疾病相关性研究的数据表明，冠状动脉疾病、炎症性肠病和肝硬化共享许多相同的细菌基因。换句话说，拥有相同细菌群的肠道菌群的人似乎更有可能患有上述三种情况中的一种或多种。

该团队表示，这项工作为已知的肠道微生物和特定疾病之间的关系增加了新的理解。如果通过进一步的研究得到证实，该结果可以为基于单个粪便样本分析来衡量一个人在一系列条件下的风险的工具的设计提供信息。

研究人员提醒说，他们的研究不是为了确定这些微生物基因可能与不同疾病有关的方式和原因。他们说，到目前为止，还不清楚这些细菌是参与了疾病的发展，还是仅仅是这一过程的旁观者。然而,布莱登Tierney,研究生在生物学和生物医学科学项目号,说:“这将打开一个窗口使用cross-disease发展的测试,基于基因的病人健康…我们已经确定了指标的遗传标记,我们认为最终可能导致测试,或者只是一个测试,确定与一些疾病的联系"

Tierney是该团队在《自然通讯》上发表的论文的第一作者，该论文题为“Gene-level metagenomic architecture across diseases yield high-resolution microbiome diagnostic indicators”。

作者写道，已知人类微生物群落的生态与表型和环境都相关。先前的研究已经将常驻细菌的混合和特定细菌种类的存在与从肥胖到多发性硬化症等疾病联系起来。这项新研究的目的是确定细菌基因组，而不是物种本身，是否能够可靠地表明不同疾病的存在。

研究人员首先从13组患者的2500多个样本中收集微生物组数据。接下来，他们分析了7种疾病与数百万微生物物种、微生物代谢途径和微生物基因之间的联系。通过尝试各种建模方法——总共计算了6700万个不同的统计模型——他们能够观察到那些始终作为最强大的疾病相关候选者出现的微生物组特征。

研究小组发现，在所有不同的微生物特征——物种、途径和基因——中，微生物基因具有最大的预测能力。换句话说，研究人员说，一组细菌基因或基因标记，而不仅仅是某些细菌家族的存在，或单个细菌基因与特定条件的存在有最密切的联系。

结果表明，虽然冠状动脉疾病、炎症性肠病和肝硬化具有相似的肠道微生物群遗传特征，但2型糖尿病与一种不同于任何其他表型检测的微生物群特征相关。“总的来说，我们发现了与ACVD、IBD、CRC和肝硬化相关的显著的、以前未被认识的高分辨率遗传和分类特征……”作者指出。

有趣的是，该分析并没有发现莫雷孤杆菌(Solobacterium moorei)和结肠癌之间存在一致的联系，而这种联系此前已在许多研究中报道过。然而，研究人员确实从S. moorei亚种中发现了与结直肠癌相关的特殊基因。这一发现表明，与目前的方法相比，基因水平分析可以产生更精确和更特异的疾病生物标记物。

文章的第二研究作者是patel博士副教授HMS Blavatnik认为,这个结果强调了概念,它不仅仅是一个给定的存在细菌的家庭可能表明风险,而是病毒和微生物的基因签名。

他补充说，这种精确识别相互联系的能力对于设计可靠地衡量风险的测试至关重要。因此,例如,一个测试旨在衡量的结肠癌风险仅仅检测存在的美国moorei肠道可能不是一样可靠的更完善的测试测量细菌基因检测的美国moorei特定菌株的存在与结肠癌有关。

“我们的基因层次结构分析捕获了以前未记录的菌株层次的泛疾病相关微生物探索，”Tierney和同事报告说。“我们还发现，在物种水平上，先前报道的单链菌和结直肠癌之间的联系并没有在各个模型中得到一致的识别——然而，我们的基因水平分析揭示了一组稳健的、菌株特异性的基因关联。”帕特尔补充说:“我们的研究强调了数据科学在梳理微生物和人类之间复杂相互作用方面的价值。”

与强调肠道微生物组基因特征与某些疾病之间的正相关相比，该研究数据还表明，耳朵炎症(中耳炎)和腺瘤(良性软组织肿瘤)这两种情况与肠道微生物组的相关性很弱。这表明，居住在人体肠道内的微生物不太可能在这些条件的发展中发挥作用，也不太可能是这些条件存在的可靠指标。研究人员指出:“我们特别选择检查中耳炎作为一种消极的生物控制形式，因为据我们所知，它与肠道微生物组的关联报道有限，我们预计它的宏基因组结构可以忽略不计。”

在之前的一项研究中，HMS团队使用了来自人类口腔和肠道微生物群系的大量公开的dna测序数据来估算人体微生物基因宇宙的大小。分析显示，人类微生物群系中的基因可能比可观测宇宙中的恒星还要多。研究人员说，考虑到人类体内存在的微生物基因的数量，新的发现代表着在理解人类疾病和人类微生物组之间相互作用的复杂性方面迈出了重要的一步。

新发现的微生物遗传特征可以进一步研究，以确定这些微生物在疾病发展中起什么作用(如果有的话)。“总的来说，我们的工作不仅是朝着基于基因的跨疾病微生物组诊断指标迈进了一步，而且还阐明了人类微生物组遗传结构的细微差别，包括基因和物种水平关联之间的紧张关系，”该团队在论文中写道。“在临床中，专注于基因水平可能比物种或途径水平的分析具有额外的实际优势:它允许高通量、多路复用、基于pcr和特定的诊断。”

“计算科学的最终目标是从大量数据中生成假设，”Tierney说。“我们的工作表明，这是可以做到的，并为研究和探究开辟了如此多的新途径，我们只是受到了进行这些测试所需的时间、人员和资源的限制。”

作者总结道:“总的来说，这项工作为研究人员描绘了一条将微生物组关联从摘要转移到稳健的途径。简而言之，拟合和报告单一模型是不够的。然而，如果我们能够识别出在队列中重现的稳健规范关联，我们将提高生物医学实验的效率。”