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浙大/浙工大合作iMeta（1区 | IF 33.2）：单微生物RNA-seq + 聚类解析肠道关键种代谢功能

news 2025/6/26 13:09:07

近年来，单细胞测序技术在微生物组研究领域引发热潮，单微生物RNA测序技术已成为解析肠道微生物功能异质性的关键工具，而肠道微生物昼夜节律与宿主代谢的关联、短链脂肪酸的肠道保护机制等研究热点，更凸显了该领域的重要科学价值与临床转化潜力。在这样的学术背景下，一项发表于iMeta的最新研究，以创新的技术框架和系统的研究设计，为揭示人类肠道微生物的功能奥秘提供了全新视角。

https://doi.org/10.1002/imt2.70035

正式介绍

基本信息

论文标题：单细胞微生物RNA测序揭示人类肠道中关键物种未被探索的特殊代谢功能

发表期刊：iMeta，中科院大类1区，IF=33.2

发表日期：2025年5月15日在线发表

研究背景

人体胃肠道存在大量微生物，它们与健康和疾病密切相关，在宿主代谢过程中发挥关键作用，如分解复杂碳水化合物和蛋白质、产生短链脂肪酸等。然而，由于个体差异以及肠道微生物分离培养的困难，目前对肠道微生物功能异质性、生态系统冗余和互补模式的了解有限，且对肠道微生物组的昼夜动态活动认识不足。

研究思路

应用肠道特异性单微生物RNA测序和分析框架，对三个不同肠型的健康供体进行研究。通过创建人类肠道微生物组的综合转录图谱，剖析肠道物种的功能特化；研究短链脂肪酸相关的中心碳代谢中的功能冗余和互补性；分析单微生物代谢能力的异质性和共变；绘制肠道微生物组的昼夜动态活动图谱；探索不同结肠生态系统中微生物细胞状态转变，并鉴定关键物种特殊代谢功能。

研究亮点

首次应用新型肠道特异性单微生物RNA测序和分析框架，从单细胞层面解析人类肠道微生物组的功能，突破了传统研究在分辨率上的限制。发现了Megamonas funiformis这一亚洲人群关键物种可通过降解外源植酸有效改善矿物质吸收，为其作为潜在益生菌提供了理论依据。捕捉到肠道微生物组的昼夜动态活动，揭示了其与亚群功能异质性的关联，拓展了对肠道微生物生态系统动态变化的认知。

数据来源和生物信息方法

1、数据来源

收集三个不同肠型（ET-P、ET-B、ET-F）健康供体在一天中三个不同时间点（早晨TP1、中午TP2、晚上TP3）的粪便样本，共9个样本。

2、生物信息方法

采用Kmer-基于根到叶的分类策略注释单微生物分类学；运用统一流形近似和投影（UMAP）进行降维聚类分析；开发Microbe-Metabolism（MIC-Metabolism）进行单微生物代谢基因富集分析；使用Monocle 2包进行伪时间分析；利用KEGG数据库进行基因功能注释和富集分析等。

主要结果

1、实验设计和人类肠道微生物组的单微生物RNA测序

选取具有代表性肠型的供体，收集粪便样本进行单微生物RNA测序，共捕获100,000多个肠道微生物，经质量控制后保留38,922个高质量微生物。将测序读数映射到参考基因组，量化单微生物基因表达水平（图1）。小结：成功建立实验流程并获取高质量微生物数据，为后续分析奠定基础。

图1：人类肠道微生物组实验设计和单微生物核糖核酸（RNA）测序概述

2、单微生物转录图谱揭示人类肠道中物种特异性功能特征

鉴定出198种物种，选择30种核心物种进行功能分析。发现不同物种在碳代谢、硫代谢、细菌运动和应激反应等方面存在功能异质性，如Desulfovibrio piger在硫代谢中显著表达相关基因，CAG - 81属高度表达鞭毛蛋白基因（图2）。小结：单微生物RNA测序有效捕捉转录变化，揭示了物种间的功能差异。

图2：人类肠道单微生物转录图谱和物种特异性功能特征

3、短链脂肪酸相关中心碳代谢的功能冗余和互补性

在不同营养级的物种中，参与中心碳代谢的基因表达存在差异。例如，Prevotella物种在淀粉和蔗糖代谢相关基因表达上有优势，不同物种在糖酵解、磷酸戊糖途径和三羧酸循环等代谢途径的基因表达也各有特点（图3）。小结：揭示了肠道微生物组中不同细菌物种在中心碳代谢方面存在功能冗余和互补模式。

图3：短链脂肪酸（SCFAs）相关中心碳代谢的功能冗余和互补性

4、人类肠道中单微生物代谢功能的异质性和共变

通过MIC - Metabolism分析，发现不同肠型供体中各物种的代谢途径活性存在差异，同一物种在不同供体中的代谢能力也有所不同，且不同物种的代谢功能活动存在共变关系（图4）。小结：证明单微生物RNA测序结合MIC-Metabolism可有效捕捉各物种的代谢活性差异和共变关系。

图4：人类肠道中单微生物代谢功能的异质性和共变

5、与亚群功能异质性相关的昼夜动态活动

不同时间点各物种的转录存在显著变化，时间特异性标记基因与物种特异性标记基因显著相关，且多与碳水化合物和氨基酸代谢有关。代谢途径活性分析显示不同物种在不同时间点的动态变化模式不同，且与亚群功能异质性相关（图5）。小结：揭示了肠道微生物组的昼夜动态活动及其与亚群功能异质性的关联。

图5：单微生物RNA测序捕捉人类肠道微生物组的昼夜动态活动

6、Megamonas funiformis在不同结肠生态系统中的细胞状态转变

对Megamonas funiformis进行聚类分析，鉴定出七个不同的功能亚群。伪时间分析揭示了其细胞命运轨迹和相关功能基因的变化，发现糖原生物合成过程在其功能亚群转变中起重要作用（图6）。小结：深入了解了Megamonas funiformis在不同结肠生态系统中的功能异质性和细胞状态转变机制。

图6：功能轨迹分析揭示Megamonas funiformis在不同结肠生态系统中的状态转变

7、Megamonas funiformis通过外源植酸降解改善矿物质吸收

体外实验表明，Megamonas funiformis在植酸存在下生长更快，能降解植酸产生乙酸和丙酸。体内实验显示，添加Megamonas funiformis可提高小鼠血清中矿物质水平，降低血清植酸水平（图7）。小结：证实Megamonas funiformis具有降解植酸、改善矿物质吸收的功能，有望成为潜在益生菌。

图7：Megamonas funiformis通过外源植酸降解改善矿物质吸收

研究结论

本研究系统地探究了人类肠道微生物组的物种功能特化和冗余、昼夜动态活动以及微生物状态转变的异质性。基于单微生物RNA测序，更好地解析了不同结肠生态系统中微生物的细胞状态转变，提高了对个体间物种 - 功能异质性的理解。同时，证明该测序和分析框架是识别具有重要生物学和临床意义的关键物种的有效策略，为精准微生物组诊断和治疗策略提供了新的思路和方法。