生命科学学院王璋研究员团队及其合作者揭示慢性阻塞性肺疾病气道微生物组与宿主的互作机制

7月27日，Nature旗下微生物生态学顶级期刊The ISME Journal（IF2019 = 9.18）在线发表了生命科学学院生态科学研究所王璋研究员团队题为“Multi-omic meta-analysis identifies functional signatures of airway microbiome in chronic obstructive pulmonary disease”的研究论文。该论文首次提出使用多组学荟萃分析的方法揭示慢性阻塞性肺疾病（慢阻肺、COPD）气道微生物群落与宿主互作的潜在机制。

慢阻肺是常见的呼吸系统疾病之一，其全球患病率和死亡率长期处于前三位。我国慢阻肺患者人数约为1亿，已经成为与高血压、糖尿病“等量齐观”的慢性疾病，构成了重大的疾病负担，寻找慢阻肺病原学机制具有重要的意义。人体呼吸道微生物群落（又称气道菌群）是近年来慢阻肺研究的热点。充足的证据表明慢阻肺中人体气道菌群有着显著的改变。然而，对于气道菌群的功能、代谢调控能力、及其与宿主的互作机制，我们依然未知。

在该研究中，王璋研究员团队提出一种基于多组学荟萃分析的新思路，层层递进揭示气道菌群的功能。通过系统整合全球公共数据中近1700例慢阻肺气道微生物组学数据，得到慢阻肺与健康人群中具有显著差异的菌群功能基因和潜在代谢物。结合创新性的数学建模方法，预测每种代谢物在疾病中的变化趋势值及其宿主基因靶点，并在1340例慢阻肺公共转录组学数据中进行了验证。结果发现，约30%在慢阻肺中差异表达的宿主免疫信号通路，可被气道菌群的代谢物靶向作用，且菌群代谢物在疾病中的变化趋势与其作用宿主靶点的变化趋势大体一致。表明在疾病状态下，气道菌群与宿主基因表达发生了协同变化，并得到了296个“菌群-代谢物-宿主靶点”的互作通路。

为系统验证上述结果，其团队与合作单位合作，收集得到了18例慢阻肺患者与10例正常人群的痰液标本，开展宏基因组、代谢组与宿主转录组的多组学检测。69.9%的“菌群-宿主”互作通路，在独立的多组学数据中得到了验证。其中，丁酸（butyrate）、同型半胱氨酸（homo-cysteine）和棕榈酸（palmitate）与其宿主靶点呈现出最强的相关性（图1），值得进一步关注和验证。因此，这项研究不仅为疾病公共数据挖掘与多组学联合分析提供了一种全新的思路，并且发现了慢阻肺气道菌群中具有机体免疫调节潜能的代谢产物，揭示了微生物生态学理论和组学手段在人体健康与疾病研究的应用价值。

生命科学学院为该论文的第一完成单位。王璋研究员为该论文的第一作者和通讯作者。该研究得到了国家重点领域研发专项、国家自然科学基金与广东省自然科学基金的资助。

论文原文链接： https://www.nature.com/articles/s41396-020-0727-y