文献解读|Cell Host Microbe（30.3）：供体-受体微生物间相互作用影响亚种转移和粪便微生物群移植结果

多种疾病都表现出肠道微生物群异常，微生物植入和治疗效果之间的关联仍然不确定，并且因疾病而异。粪便微生物群移植 (FMT) 的临床试验已经并正在针对越来越多的疾病进行，包括慢性感染、代谢性疾病、恶性肿瘤和神经系统疾病，但临床批准的疗法仅限于复发性艰难拟梭菌感染(rCDI)，表明需要进一步了解微生物群转移的决定性因素才能释放潜力。

FMT 为自闭症谱系障碍(ASD)患者的核心症状和胃肠道合并症带来了有益的结果，这些症状与微生物群的变化有关，这些研究并未呈现亚种或菌株水平的特征，因此对潜在重要的微生物组成分和事件的了解有限。

研究团队招募了一个由 29 名 2-11 岁患者和 36 名年龄/性别匹配的健康对照组成的队列（图 1 A）。患者入组的依据是满足精神疾病诊断和统计手册（DSM-5-TR）中描述的诊断标准，存在胃肠道合并症，并且不存在多种脑部、精神、胃肠道和代谢疾病。ASD 患者未接受抗生素或泻药等预处理，接受为期 4 个月的 FMT 治疗方案，即 4 次口服冻干微生物胶囊。整个治疗后 2 周，对每位患者进行随访以进行最终临床评分（图1B）。自闭症行为检查表(ABC)量表和儿童自闭症评定量表(CARS)的分数证明了治疗伴随着认知缺陷的逐渐改善，并且通过布里斯托粪便量表(BSFS)和胃肠道症状评定量表(GSRS)评估了胃肠道症状（图1C）。对2 - 4岁和5-11岁两个年龄亚组的临床改善进行的比较分析表明，较年轻的个体表现出总体更好的反应（图1B-D），这可能反映了两个年龄亚组之间的FMT疗效差异，并与生命早期定植抵抗的逐渐增加相吻合。这些结果证实了肠道微生物群变化与ASD之间的联系，并证实了FMT对儿童神经精神疾病的治疗潜力。

图1. ASD 患者认知和胃肠功能的研究设计和评估。

(A) 招募的接受 FMT 干预的 ASD 患者的研究设计。(B) FMT实验，临床结果和参与者的抽样。(C-D) FMT治疗过程中ASD患者和两个年龄亚组的临床评估。

在ASD患者中，为了研究FMT与肠道微生物组重塑或临床结局之间的关联（图1C-D)，他们首先使用基于物种基因组库(SGB)的注释（至少50%的完整性）分析了粪便微生物组成。多元关联线性模型(MaAsLin)分析显示，SGB和微生物基因与临床指标之间有相当大的关联，而且出乎意料的是，其中大多数与临床改善之间呈负相关（图2A-B）。

在具有相关特征代表的相关类群中，Collinsella 的成员占主导地位，这是一个在ASD 富集的属。它们丰度动态的同步模式和与临床指标的关联表明，它们构成了一个分类连续体，与ASD具有一致的相关性（图2A）。因此，他们检测了它们的联合相对丰度，在治疗过程中，其相对丰度逐渐降低（图2C）。这些结果揭示了FMT在抑制一大群临床阴性的Collinsella菌株方面的临床相关作用。

他们将供者-受者转移事件定义为与供者匹配的FMT后受者中新出现的特征，并发现可转移的SGB和KEGG同源物(KO)（或显示至少一个转移事件的特征），占总识别的类群和基因的35.8%和28.9%，相应的比例在CARS/ABC/BSFS/ GSRS相关特征中显著增加（图 2D）。

他们想知道在FMT后的受者中，在供者贡献很小的情况下，许多CARS相关的Collinsella SGB是否可能有双重起源。对供者和FMT前受者的特异性单核苷酸多态性(SNP)进行的追踪证明了这一点（图2E）。有趣的是，在FMT后3个月，SNP来源的差异在受体中消失，这与SNP不在标记基因中一致，可能支持少量的功能差异。总体而言，尽管在实践中难以避免低水平疾病相关菌株携带到受者体内，但它们可能在FMT过程中受到抑制。

CARS和ABC记录了大多数与临床结果的分类和功能关联（图2A-B），表明FMT诱导的微生物组重组对神经精神表现有相当大的影响。他们推断，微生物的改变可能转化为代谢差异，包括一些与认知有关的差异。他们检测了血清代谢物、血清神经递质和粪便代谢物在微生物和ASD指标之间的中介效应，发现有数十种化合物“桥接”了这些关联（图2F）。脂酰胆碱 (PC) 和 lysoPC 的多个分子与 BSFS 相关，这与这些脂质对胃肠道功能的调节作用一致（图2F）。

重要的是，超过 85% 显示中介效应的 SGB 是可转移的（图 2 F），证实了供体菌株植入对表现出认知障碍和肠道微生物群偏差的患者的影响。

图2. 肠道微生物组特征与ASD临床指标的关系。

(A-B)基于多元线性关联模型(MaAsLin)分析的肠道微生物组SGB和KO与核心ASD症状或GI合并症的临床改善的关系。(C) 14例具有完整宏基因组数据的ASD患者的4个时间点Collinsella SGB的综合相对丰度与治疗时间点的相关性。 (D) FMT后ASD患者粪便样本中可转移SGB和KO占总微生物组特征或与临床结果相关的微生物组特征的比例。(E)不同时间点FMT后受体Collinsella SGB的SNP来源（供体与GMT前受体）比较。(F)平行坐标图显示血清代谢物、粪便代谢物和血清神经递质在SGB和ASD指标之间的中介效应。

他们假设在FMT期间，外来菌株和自身的菌株的混合在供体成员的植入和持续中起着至关重要的作用，并在一项Meta分析中验证了这一假设。该Meta分析包含了内部ASD队列和30个已发表的FMT宏基因组数据集，涵盖了肠道菌群失调、胃肠道疾病、恶性肿瘤、代谢性疾病和神经精神疾病。他们总共鉴定了5051个SGB和3429个可转移成员，其中2972个在多个队列中显示了植入（图3A）。匹配的供体和FMT后的新受体SGB（即与FMT连接一致的配对）之间的序列相似性和SNP一致性的中位数分别为99.10%和99.99%，均显著高于缺乏FMT连接的相同特征的两个组件之间的序列相似性和SNP一致性，表明这种匹配在很大程度上反映了真正的菌株或生态型转移。移植后受者的移植SGB数量与总SGB数量的比率，在不同的数据集中显示出明显的差异（图3B）。他们对与ASD指标相关的3种可转移的SGB（包括SGB15015_clostridiales_unclassified、未分配的SGB20063和SGB4872_Blautia）与受体微生物之间的二元关联进行了检测（图2A），并表明了临床意义。在正相关和负相关配对的外来菌株和常驻菌株之间发现了较大的遗传距离（图3C）。

在各FMT数据集之间的亚种水平关联中，他们观察到大量共同点（图3D），这与不同队列和疾病类型汇聚的排序聚类一致（图3E），但至少有9名参与者的所有5个rCDI队列均表现出一致的偏离，这证明了FMT期间微生物相互作用的疾病特异性特征（图3D）。在所有六个队列均具有多个 FMT 后时间点和相当高水平的 DR 微生物间关联（图3F）。

图3. FMT 宏基因组数据集中的 SGB 植入和 DR 亚种级定量二元关联。

(A) 31 个 FMT 宏基因组数据集中确定的每个物种级基因组库 (SGB) 的代表性基因组的系统发育和可转移性。(B) 不同数据集中的 SGB 转移率和供体-受体 (DR) 亚种级定量二元关联。(C) 定量二元相关供体-受体 SGB 对的 Mash 估计遗传距离的百分比分布。(D) UpSet 图显示 FMT 数据集组合共有的供体-受体亚种级定量二元关联的数量。(E) 不同 FMT 宏基因组数据集中供体-受体定量二元关联的排序。(F) 多个数据集的 FMT 供体和受体中未分配的 SGB20583 和 Lachnospiraceae SGB4751 的患病率。

接下来，他们通过关注可转移的特征，研究了 DR 亚种水平定量二元关联和供体微生物群植入在多种医疗条件下的临床相关性。主坐标分析 (PCoA) 显示，FMT 前患者在分类学和功能上均表现出与健康供体的明显偏差，但干预后这种偏差有所减弱（图 4 A-B）。

他们分析了SGB或KO移植与临床终点的相关性，并在有应答者/无应答者信息的汇总19个数据集中揭示了区分两组受者的微生物组实体（图4C-D）。分类学和临床相关性之间存在明显的联系，粪杆菌科和普氏菌科的24个和71个SGB分别具有统一的关联，而梭状芽胞杆菌和双歧杆菌则存在混合关联。

在鉴别能力最强的SGB中，粪杆菌属、双歧杆菌属、瘤胃球菌属和粪球菌属或普雷沃菌属的成员分别主要存在于与应答相关或与非应答相关的特征中。Collinsella SGB与ASD临床改善呈负相关性（图2A），有4个SGB来自该属，都与治疗结果相关，并且所有SGB均在无应答者中富集。在临床相关的KO中，非应答相关的K12065 (traB)与与核心ASD指标不利相关的K12072 (traH)一致（图2B）；在粪肠球菌、粪肠球菌和ludwigii杆菌所携带的质粒中检测到这两个偶联转移基因。另一方面，K15896 (pseH)和K15897 (pseG)强调了O-抗原核苷酸糖生物合成基因在应答者中的过表达，证实了临床意义，SGB植入平台能够在合并的19个数据集或内部ASD队列中预测良好的治疗反应（图4D）。

大多数应答者相关的供体 SGB 与受体微生物群落表现出很大程度上的负面相互作用，包括那些与 SGB14952 连接的微生物群落，显示出广泛的植入抑制（图 3D）。大多数应答者相关的供者SGB与受体微生物群落基本上呈负相互作用，包括与SGB14952连接并显示广泛植入抑制的微生物群落（图3F），而SGB2326_F. praunitzii、 SGB1827_Bacteroidaceae,和SGB20059几乎没有出现定植抗性（图4E）。约有30个受体SGB对传入的有益菌株表现出促进性应答，其中大多数属于拟杆菌属，以及亲本家族中的4个近亲属（图4E）。然而，受者体内拟杆菌的丰度与其临床反应之间没有关联，这加强了在FMT中进行亚种水平表征的必要性。

图4. FMT 宏基因组数据集中 DR 微生物间相互作用对肠道微生物组结构和临床结果的影响。

(A-B) FMT 宏基因组数据集中 FMT 前受者、FMT 后受者和供体中可转移 SGB 和 KO的主坐标分析 (PCoA) 。(C) 基于 19 个 FMT 宏基因组数据集和可用的临床反应信息，对 SGB（左）和 KO（右）转移的临床反应进行 LefSe 分析。 (D) 基于随机森林生成的 SGB 植入来预测治疗反应的受试者工作特征 (ROC) 曲线。(E) 响应者相关的供体 SGB（上）和受体 SGB（下）之间存在显著的定量二元关联。

未表征的 SGB 在 FMT 数据集中的临床相关分类实体中很常见（图 2 A、图4 C 和 4E）。其中，他们发现梭菌科的一个成员 SGB4705 很常见（图 5 A），并且与受体 SGB 表现出广泛的相互作用（图 4 E），它代表了一个独特的物种，他们将其命名为 Candidadus Tongjibacter Transferonalis。在梭菌科中存在多种未表征的微生物（图5B），包括两种与应答者相关的SGB，即Ca. T. transferonalis 和SGB4706 （图4C）。

虽然没有明显的SGB内聚类与疾病相关（图5A），但基于宏基因组组装基因组(MAG)之间的遗传距离进行排序，发现了Ca. T. transferonalis的两个谱系，它们主要存在于中国或北美和欧洲的个体中，证实了宿主地理或生活方式与肠道微生物菌株变异之间的联系。

然而，尽管Ca. T. transferonalis和SGB4706与临床结局之间有密切的系统发生关系和相似的跨队列关联，但它们与受者SGB4706之间表现出不同的定量二元关联（图5D），这相当于SGB4706出现的最低定植抗性，因为两者的微生物间应答均为绝对抑制。这与移植物Ca. T. transferonalis和SGB4706之间的差异移植物效率是一致的，因为SGB4706的供体相对丰度不到移植物Ca. T. transferonalis的五分之一，但两种SGB的移植物数量相当（图5E）。功能分析显示转Ca. T. transferonalis和SGB4706在脂肪酸代谢、苯乙烯降解和鞘脂代谢方面存在差异（图5F）。

图5. 梭状芽孢杆菌科中一种未命名微生物的特征，该微生物在 FMT 数据集中普遍存在。

(A) Ca 中 219 个 MAG 的系统发育。(B)包含Ca. T. transferonalis的树状子目录。 (C)基于Ca. T. transferonalis遗传距离的主坐标分析(PCoA)。(D)显著的定量二元关联。(E) Ca.T. transferonalis和SGB4706的移植事件数和供体相对丰度。(F) Ca.T. transferonalis和SGB4706的KEGG功能谱分析。

在 FMT 宏基因组研究中，单个物种内基于 SNP 的菌株组成动态已用来监测供体微生物群的植入。在多个临床和微生物组变量中，亚种水平的定量二元关联显示出对供体微生物植入的显著影响（图6A）。此外，与丰度曲线相对平坦的SGB相比，在FMT后受体中富集或耗竭超过2倍的SGB与谱系数量（下文称为关联大小）相关（图6B）。在超过300个Collinsella成员的大量谱系库中也发现了类似的模式（图6C），表明生态因素可能导致该属的FMT后动力学差异（图2C）。这些发现表明，微生物与微生物的相互作用可能会影响一个物种的菌株组成变化，这促使他们研究多SGB细菌中个体成员的丰度动态和关联大小，多SGB细菌定义为在本研究中检测到至少两个附属SGB的物种。

有趣的是，虽然大多数SGB在种内比例上表现出相当大的物种间差异（图6D），但在FMT之前和之后，来自供者或受者的综合结果显示，无论密切相关成员之间的关联大小差异如何，大多数多SGB细菌的同质性在种群水平上仍然很大程度上保持保守（图6E）。

图6. 亚种水平相互作用对供体 SGB 植入和密切相关的 SGB 后 FMT 组成变化的影响。

(A) 主要临床和微生物组因素对供体 SGB 植入的影响大小。(B) 比较31个数据集接收者SGB不同的T0-T1差异倍数范围之间的SGB数。(C) 31个数据集的受者Collinsella SGB不同的T0-T1差异倍数范围的定量二进制相关SGB数的比较。(D)各种细菌组成SGB的平均相对丰度归一化的标准误差。(E)各种多SGB细菌的SGB组成和关联大小。

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