Cell | 宏基因组测序在人类皮肤微生物中的应用

人皮肤是一种生态系统，由各种各样的细菌、真菌和病毒栖息地组成。生物地理学和个体塑造了人类皮肤微生物的结构和功能组成。为了探索这些因素对皮肤微生物群落稳定性的影响，本研究从几个月到几年收集纵向样本，产生了宏基因组序列数据。采用多领域基于参考的方法分析这些样本，发现尽管皮肤暴露于外部环境，但其细菌，真菌和病毒的群落在一段时间内基本稳定。

2011年6月至2014年5月间，收集12名健康志愿者（7名男性和5名女性45岁以下成年人）在3个时间点下的17个身体部位皮肤样本，去除不合格样品，共计594例样本，进行宏基因组测序，检测细菌、真菌、病毒、噬菌体等微生物的组成和多样性。

测序平台：Illumina HiSeq，PE100

1、人体皮肤群落微生物在群落水平基本稳定

为了评估时间对皮肤菌群的影响，收集时间跨度在1-2月（短期）和1-2年（长期）的皮肤样本，通过比较发现，微生物菌群结构十分相似。此外，研究发现皮肤菌群稳定性与群落的多样性呈负相关，即微生物多样性越高的部位，群落稳定性越低。

2、皮肤菌群稳定的不同特征

研究发现，人体17个取样部位的大部分微生物都十分稳定，不受时间影响。然而，还是有少数物种的相对丰度随时间变化而发生显著差异，如痤疮丙酸杆菌、多瘤病毒HPyV7和HPyV6、表皮葡萄球菌等，推测可能是宿主自身状态和环境扰动之间的互作影响了这些皮肤菌群的变化。

3、 短暂和真核dsDNA病毒稳定性

研究发现，与高丰度微生物相比，低丰度微生物中拥有更多短暂出现的、不稳定的菌群类型，比如细菌和真菌。但是对于病毒来说，丰度较高的双链真核DNA病毒更不稳定，且不同部位皮肤表面定居的病毒类群是独一无二的。上述结果表明皮肤表面真核病毒动力学变化可能更依赖于宿主状态和部位而不是营养物利用度。
 

4、使用监督随机森林算法为每个时间点确定可区分个体的关键分类群。结果发现，只有少数物种可以随时间保留分辨力。

5、痤疮丙酸杆菌菌株在人体任意部位、任意时间下都非常稳定，而这种稳定性可能更多来源于个体自身菌株,而不是从环境或其他个体获得的新菌株。为了证实这种猜想，文中对一系列纵向样品中痤疮丙酸杆菌基因组中的共享SNVs进行检测，共识别出83081个突变位点和24000个SNVs。这些SNVs的稳定性能够反映痤疮丙酸杆菌菌株随时间推移的稳定性。
 

6、痤疮丙酸杆菌泛基因组与不同的菌株组合达到功能饱和

痤疮丙酸杆菌由3,774个非冗余基因簇组成，其中1,685个为核心基因簇。非冗余基因簇中包含3005个核心基因、769个非核心基因，KEGG注释发现，绝大多数非核心基因注释不到代谢通路，而核心基因基本都参与ABC转运以及半胱氨酸和蛋氨酸代谢，这些代谢通路可以促进细菌和环境之间的交流。
 

7、表皮葡萄球菌群体具有更多的变异基因含量

为确定在痤疮丙酸杆菌中获得的发现是否可扩展到皮肤菌群中的其他成员，研究人员又继续评估了表皮葡萄球菌随时间推移的稳定性。结果发现，表皮葡萄球菌的稳定性不随时间和定殖部位的改变而变化。与痤疮丙酸杆菌相比，表皮葡萄球菌泛基因组中拥有更多可变基因，其含量高达20%。同样对表皮葡萄球菌泛基因组进行KEGG功能注释，发现无论是核心基因，还是非核心基因，多数均注释不上任何代谢通路，少数能注释到代谢通路的基因大多参与β-内酰胺抗性、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、细菌分泌系统、万古霉素抗性以及甾类激素生物合成途径。
 

1、皮肤微生物稳定性可以随部位和个体变化而改变。

2、尽管皮肤暴露在外部空气中，但是皮肤表面的微生物长期保持稳定。

3、真核病毒是皮肤微生物群落中存在时间最短的成员。

4、该研究从时间序列上对不同身体部位的皮肤表面进行取样，实验设计严谨。