肠道真菌是人体微生物组的重要组成部分，对人体健康影响重大，但相对于肠道细菌群，我们对肠道真菌的了解尚在初始阶段。在过去的十年中，肠道菌群研究囿于真菌18S rRNA或 ITS测序，虽取得了一系列进展，但大家对人类肠道真菌的遗传和功能变异的理解依旧缺乏，其中一个主要的原因就是缺少全面的肠道真菌参考基因组。
2024年5月，大连医科大学马骁驰团队联合中国科学院上海药物研究所及北京林业大学团队在Cell上在线发表了题为“A genomic compendium of cultivated human gut fungi characterizes the gut mycobiome and its relevance to common diseases”的研究论文，通过大规模人类肠道真菌培养测序，建立了迄今为止最大的人类培养肠道真菌参考基因组目录，展示了肠道真菌的分类和功能多样性以及代谢潜力，确定了肠道真菌组组成中与常见疾病相关的显著变异，并通过动物实验证实了真菌特征与炎症性肠病(IBD)之间的关联。这些新发现和珍贵资源极大地丰富了我们对人类肠道菌群的生物多样性和疾病相关性的理解。（麦特绘谱提供Q300全定量代谢组检测服务）
一、文章梗概
二、分析结果
1. 构建人类肠道真菌基因组目录（CGF）
从135名健康人群的粪便样本中培养出12453个真菌分离株，经全基因组测序，共组装出760个基因组，涵盖206个菌种，其中69个为首次被鉴定到。这份基因组测序结果被命名为“人类培养肠道真菌目录（CGF）”。进一步将CGF与NCBI数据库中来自呼吸道、消化道、泌尿生殖道和皮肤的人类真菌菌株进行比较，发现仅存在32个共有菌株，说明CGF极大地扩展了可利用的培养肠道真菌种类的数量。
人类肠道培养的206种真菌的全基因组系统发育树
2. CGF的功能基因注释及分析
随后对CGF的蛋白质编码基因进行聚类，得到643,717个非冗余蛋白质簇，其中约有77%未在呼吸道/消化道中检出过，该结果显著增加了人类肠道真菌的蛋白质序列。
功能注释表明，基于eggNOG注释的主坐标(PCoA)分析可将四个真菌亚门：毛霉菌亚门(Mucoromycota)、盘菌亚门(Pezizomycotina)、酵母菌亚门(Saccharomycotina)和担子菌亚门(Basidiomycota)清晰地分离；基于KEGG的注释则表明，糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸生物合成和核苷酸代谢等核心代谢途径在所有物种中基本完整。
但进一步的分析发现，在eggNOG和KEGG图谱中，有76.2%和33.8%的直系同源蛋白簇仅由四个亚门中的某一个特异性表达，如：毛霉菌亚门特异性表达遗传信息处理、细胞过程和信号通路的物质，而盘菌亚门的特异性物质则富集于次级代谢和氨基酸和碳水化合物的运输/代谢中，这体现了肠道真菌之间的高度特异性。
CGF的功能基因概况
在真菌对人类肠道环境的生态适应过程中，参与多糖、蛋白质和脂质等底物降解及次生代谢物合成的功能基因发挥着重要作用，因此对这类基因作着重分析。
在发酵性底物降解酶层面，共鉴定出532,809个碳水化合物活性酶（CAZymes），其中盘菌亚门表达了大量的植物细胞壁降解酶 (PCWDE)，说明它们在分解植物多糖方面发挥了积极作用。另外，也分别检测到了 225,078 个蛋白酶基因和 188,425 个脂肪酶基因，功能富集分析表明，盘菌亚门在脂质代谢能力方面比其他亚门更高，而酵母菌亚门表现出显著的蛋白酶能力。
在次生代谢物基因层面，共鉴定到22,762个次级代谢基因簇（SMGCs），可聚类为1,590个基因家族。与前文类似的，SMGCs也体现出高度的种属特异性，其中盘菌亚门基因组中SMGCs的占比高于其他亚门。
CGF的可发酵底物的降解潜力及次生代谢产物的生物合成
3. CGF的初级代谢物谱
为了表征CGF的代谢物含量，对CGF中的199种代表性真菌进行了体外的Q300全定量代谢组检测。从冻干真菌粉末中检测出241种初级代谢物，包括56种脂肪酸及其衍生物、55种氨基酸及其衍生物、33种有机酸、26种碳水化合物和25种苯类化合物。其中有166种物质的含量在四个亚门之间存在显著差异：盘菌亚门富含多种氨基酸、苯衍生物、碳水化合物和有机酸；酵母菌亚门富含其他的氨基酸和脂肪酸；而担子菌亚门中富含一些特定的有机酸。
PCoA分析显示，各真菌亚门的初级代谢物谱存在显著差异，但再细分到科、属、种后，代谢物组成的差异中就只有8.2%至17.3%可以归因于基因组。这表明，非基因组的环境因素，如培养条件和调控机制，在塑造肠道真菌代谢组方面起着重要作用。
最后应用随机森林模型来评估功能基因组的编码能力对代谢物浓度的影响。发现241种代谢物中有16种可以被预测，这其中包括几类氨基酸和碳水化合物，说明这类代谢物的浓度主要由基因组的功能编码能力决定；与之相对的，有一些代谢物如肉碱，则无法被顺利预测，它们的含量似乎与基因编码能力无关。
CGF的初级代谢物概况
4. CGF与常见疾病的关系
接下来研究了包含中国和非中国人群约1.1万人的粪便样本，用于探索肠道真菌群落的特征及其与28种常见疾病的关系。
在群落特征层面，亚门水平上的组成模式在不同人群和疾病的研究中都高度相似，物种水平上呈现对数正态分布，这里未观察到类似肠道细菌在不同人种间的分布差异。
肠道真菌群落特征的描述
在多样性方面，肠道真菌群落的多样性在多数疾病状态下显著降低。不同疾病类型对菌群的影响存在差异：消化道疾病和癌症与肠道真菌群落改变最相关，其次是免疫疾病。随后利用随机森林模型来评估真菌组成区分不同疾病与健康人群的能力，发现房颤患者的可分类性最高，其次是炎症性肠病(IBD)、结直肠癌(CRC)、自闭谱系障碍(ASD)、强制性脊柱炎(AS)、和HIV感染。
随后研究不同疾病的差异肠道真菌。通过与健康人群对比，共鉴定出522种真菌差异特征，包括109个科水平，171个属水平和242个种水平的，覆盖了广泛的疾病类型。其中一些真菌类群在多种疾病中的变化趋势一致，例如Candida albicans c20（白色念珠菌）在动脉粥样硬化性心血管疾病（ACVD）、肝硬化（LC）、系统性红斑狼疮（SLE）、溃疡性结肠炎（UC）和COVID-19患者中均显著富集；另外也有部分真菌仅在特定的疾病中存在显著的丰度差异。
常见疾病的肠道真菌特征
最后关注肠道真菌代谢物对疾病的影响。将预测出的次级代谢物特征与靶向检测的初级代谢物谱合并，再次按照疾病vs对照进行差异分析，发现在43个差异比较组中，有27个组的次级代谢谱发生显著变化，而仅有5个组在初级代谢物层面存在显著差异。这说明肠道真菌更有可能通过次级代谢物影响疾病。
5. 聚焦CGF与IBD
最后聚焦炎症性肠病(IBD)的肠道真菌特征。首先利用3个人群队列进行分析，共识别出15个科、24个属和44个物种的IBD相关真菌，根据疾病情况可将它们分为IBD富集、缺失和不显著菌株。随后利用小鼠饲喂实验进行生物体验证和机制探索，对9种关键真菌进行了验证，并鉴定出7种真菌发酵产生的无环倍半萜，推断它们可能通过激活FXR受体从而减轻IBD。
IBD相关的肠道真菌研究
三、研究结论
本文通过建立一个包含760个基因组的培养肠道真菌（CGF）目录，揭示了肠道真菌群落的遗传多样性、功能和代谢特性，并探讨了它们与常见疾病之间的潜在联系。随后发现肠道真菌群落在不同人群中的多样性和结构与炎症性肠病（IBD）等健康问题相关联，并通过动物模型验证了特定真菌对结肠炎的影响，为未来探究肠道真菌群落的研究和它们对人类健康作用提供了新的视角和资源。
全文总结
参考文献
Yan Q, Li S, Yan Q, et al. A genomic compendium of cultivated human gut fungi characterizes the gut mycobiome and its relevance to common diseases. Cell. 2024.
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