最近发表于《自然·微生物学》的一项研究表明，研究人员揭示了全球模式和微生物相互作用如何塑造肠道中肠杆菌科的定植，从而为感染抵抗和治疗策略提供了新的见解。
背景
人体肠道微生物群是一个多样化的社区，对于健康至关重要，支持消化、免疫调节和抵御病原体。然而，某些肠道微生物，特别是肠杆菌科物种如大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae），可能会导致严重感染，并与克罗恩病等疾病和更高的死亡率相关。
这些微生物的过度生长，加上日益严重的多重耐药性，构成了全球健康的重大挑战。虽然基于微生物组的疗法显示出潜力，但大多数关于肠杆菌科的研究主要集中在临床分离株上，限制了生态学方面的见解。进一步的研究对于理解其在肠道微生物组内的动态至关重要，为创新的非抗生素干预措施铺平道路。
研究方法
研究人员收集了来自45个国家和65项研究的12,238个人类肠道宏基因组样本，所有样本均来自欧洲核苷酸档案库（ENA）。纳入标准包括：至少50万对端宏基因组读取数据、提供有关健康状态、年龄组和来源国的元数据、无急性感染、采样前一个月内未使用抗生素。
宏基因组读取数据经过TrimGalore进行质量过滤，并通过Burrows-Wheeler Aligner MEM（BWA MEM）去除人类基因组GRCh38的污染。过滤后的数据集映射到统一的人类胃肠道基因组（UHGG）目录中的4,612个物种数据库。严格的筛选排除了低质量基因组，包括CheckM评估的低完整性评分和Genome UNClutterer（GUNC）识别的潜在嵌合分类。
为了纠正因研究方法差异引起的批次效应，使用条件分位数归一化算法进行校正，以确保数据集之间的可靠比较。
通过α多样性（Shannon指数）和β多样性（Aitchison距离）指标分析微生物群落差异。监督机器学习模型，包括岭回归、随机森林和支持向量机，用于基于物种丰度特征分类肠杆菌科定植状态。这些模型展示了高准确性，提供了关键的微生物相互作用见解。
差异丰度分析使用了ALDEx2和MaAsLin2，确定了与肠杆菌科存在与否显著相关的微生物物种。功能分析将共存者和共排斥者与涉及营养竞争和生态角色的代谢途径联系起来。
研究结果
数据集涵盖了不同的地理区域，其中大部分样本来自欧洲（35%）和北美（27.5%），其次是亚洲（23.2%）和非洲（8.4%）。大多数样本来自成年人（67.6%）和健康个体（62.2%），为分析微生物群落动态提供了坚实基础。使用UHGG目录，识别并量化了4,612个肠道微生物物种，其中包括113个肠杆菌科物种。
肠杆菌科在66%的样本中被检测到，最常见的是大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和赫尔曼肠杆菌（Enterobacter hormaechei）。它们的分布因地理位置、年龄组和健康状态而异，特别是在非洲样本（88%）和类风湿关节炎患者（96%）中尤为普遍。
多物种共存模式分析显示，在亚洲和非洲，大肠杆菌与其他物种如肺炎克雷伯菌之间存在显著共存现象。这些发现表明，环境、饮食和医疗保健因素可能在全球范围内影响肠杆菌科的定植。
通过对大肠杆菌菌株多样性的深入分析，使用多位点序列分型（MLST）鉴定了585个序列类型（STs），其中多数为新发现的，且在非洲样本中过表达。这突显了大肠杆菌未被充分探索的多样性，以及非临床分离株在参考数据库中的代表性不足。
机器学习模型显示，肠道微生物组组成可以高精度预测肠杆菌科的定植，揭示了跨地理区域和健康状态的一致关联。差异丰度分析确定了307个与肠杆菌科定植显著相关的微生物物种，分为共存者和共排斥者。共排斥者如Faecalibacterium属与短链脂肪酸（SCFA）生产和铁代谢有关，这些机制可能抑制肠杆菌科的生长。
相比之下，共存者表现出更大的代谢多样性，表明在某些肠道条件下具有竞争优势。功能分析显示，共排斥者富集了与群体感应和SCFA生产相关的基因，而共存者则与药物抗性和营养代谢相关。这些差异强调了种间相互作用和代谢竞争在塑造肠道定植动态中的作用。
结论
总结而言，这项大规模的全球研究探讨了与肠杆菌科定植相关的肠道微生物组特征，揭示了与共存和共排斥相关的分类和功能变化。
关键发现包括在非洲鉴定出大量未表征的大肠杆菌亚种多样性，突显了像Faecalibacterium这样的物种在定植抵抗中的作用。还发现了涉及Intestinibacter和Faecalimonas phoceensis等分类的共存模式。此外，共排斥者含有与群体感应相关的未表征生物合成基因簇（BGCs），可能调节肠杆菌科的丰度。
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