前沿方向，宿主与肠道菌群关联分析
【2020-08-14】
本文将基于两篇最新发表文献来谈谈目前肠道菌群研究中比较前沿的方向——宿主与菌群关联研究，并剖析此类研究的特点。
案例1
宿主转录组测序+肠道菌群16S关联研究
研究内容：囊性纤维化中肠道微生物组与宿主基因调控的相互作用
发表时间：2020年2月
发表期刊：Genome medicine（IF：10.6）
囊性纤维化是白种人中常见的常染色体隐性遗传疾病，是由CFTR基因中的突变造成的。虽然目前囊性纤维化的治疗方式较为成熟，显著提高了患者的寿命，但目前发现其会引发新的并发症，例如大肠癌。虽然大肠癌在囊性纤维化中的发病机制仍不清楚，但宿主-微生物相互作用的改变可能会起到关键作用。此研究对患者和健康对照者的微生物组和宿主基因表达的变化进行了探究，鉴定出了宿主基因-微生物组在囊性纤维化患者结肠中的相互作用，为疾病的诊断和治疗奠定了理论基础。
实验设计
实验设计流程图
组间差异表达基因与差异菌种联合分析
A.差异菌种与差异表达基因热图 B. 差异菌种与差异表达基因网络图 C.特定菌种与基因散点图
为了探究宿主表达基因和微生物之间的关联情况，挑选了组间差异表达的250个基因和35个差异菌种进行了spearman关联分析，鉴定出50个基因与菌种显著关联的组合。其中包括Veillonella 和 DUOXA2基因的显著正关联，Veillonella菌种是一种可以引发炎症，且在结直肠癌患者中常见的菌种，而DUOXA2基因是一个引发炎症和溃疡性结肠炎的基因。还有LNC2基因（在结直肠癌患者中显著表达的菌种），与Ruminococcaceae（健康菌种，在结直肠癌患者中丰度低）呈现显著负相关。
文章评述
本研究用“转录组+微生物组”的方式对囊性纤维化疾病进行了研究，探究了宿主基因表达与微生物作用之间的关系，为机制不明的囊性纤维化疾病研究奠定基础。从此篇研究的设计上可以看出，研究思路并不复杂，且生信分析工作也并没有很高难度，但依然可以在今年发表到10+分的杂志上，小编认为主要的原因有以下几点：
01 疾病种类较新颖，研究较少
该篇文章没有直接研究结直肠癌这种比较常见的疾病，而是挑选了囊性纤维化疾病，此疾病相关的肠道菌群研究并不是很多，病理机制也并不是十分明确。小病种再加上“宿主+菌群”关联的实验设计，让这篇文章大放异彩。
02 实验技术高
该研究当中用的是肠粘膜样本，在该领域进行研究的老师应该知道用肠镜取到的胃粘膜样本量是非常少的。而此课题组可以用一个样本同时做转录组测序和微生物宏基因组测序，可见他们的提取、建库的实验技术水平是很高的。
03 宿主+微生物，前沿方向加分
虽然此篇文章最后的结论只是得到了关联关系，并没有得出明确结果，也没有进行验证。但是其很好的将宿主的基因表达特征和肠粘膜菌群组成特征联系到一起，正因为这样的前沿思路，确保了这篇文章可以发表在高分期刊上。
案例2
宿主粪便转录组测序+肠道菌群宏基因组关联研究
研究内容：宿主粪便中的miRNA与肠道菌群之间的关系
发表时间：2020年2月
发表期刊：mSystems（IF：6.63）
众多研究表明，结直肠癌（CRC）的发生发展与人类小 RNA（hsa-miRNAs）有关，而近年的一些研究发现它们在肠腔中的释放有助于塑造肠道菌群，而细菌小RNA（bsRNA）也可能在致癌作用中发挥作用，但其作用并未被广泛探讨。此研究利用小RNA测序和宏基因组测序的方法对正常人，腺瘤患者以及结直肠癌共80个人进行了研究，分析了人类肠道微生物组小RNA表达与CRC患者肠道中潜在分子相互作用。并提出了一种DNA和RNA标志物的结合方法，它能够根据癌前病变和健康对照准确地对CRC患者进行分类。
实验设计
实验设计流程图
不同分组的宿主与菌群共测序
A,B图：不同分组间差异菌种小提琴图 C图：不同分组间small不同种类注释
上面的几幅图中展示三个实验分组中的菌群差异与sRNA注释结果。图A、B展示了从宏基因组测序结果中得到的厚壁菌门、变形菌门和大肠杆菌的相对丰度，图C展示了人类粪便样本的sncRNA谱以及人类粪便样本中的微生物sRNA的注释和占比情况。
利用“宿主+菌群”测序结果构建随机森林模型诊断结直肠癌
A图：不同分组内使用不同参数的AUC热图 B图：使用不同数量参数的AUC折线图
利用宏基因测序和小RNA测序得到的细菌DNA，细菌小RNA，宿主小RNA等单独参数或混合参数构建随机森林模型，发现在综合使用人类和细菌sRNA和细菌DNA的情况下，区分健康对照和结直肠癌的准确性最高，AUC值可达0.87。相反，仅使用微生物DNA图谱对样品进行分类的潜力较低。
文章评述
01 立意新颖，大胆尝试
该篇文章研究的疾病虽然是常见的结直肠癌，但是采用宿主小RNA与肠道菌群相互关联研究的方式进行实验设计，是一个非常新颖的尝试。
02 DNA+RNA共研究
该研究当中，对粪便样本同时进行了“宏基因组+小RNA测序”，最终同时得到了宿主和细菌DNA与小RNA的信息，这样丰富的信息有助于后续的信息挖掘。
03 运用测序结果，找出标志物，建立模型
此研究中综合运用了宿主和菌群DNA与RNA的信息，构建出了疾病诊断的模型，找到了较好的标志物，大大丰富了实验内容，让文章有一个很好的落脚点。
04 高阶的生信分析工作
进行该研究时，进行了大量的比对、注释、分析、数据选择、差异分析、建模等工作、对生信水平的要求很高。
总结
■ 前沿探究方向，适合临床医生：从菌群和疾病的单一研究，渐渐走向宿主和肠道菌群之间的关系研究，是必然的，但此类研究方式目前来看，研究的人还较少，算是前沿方向，有很多机会。尤其对于之前在人体的基因组、转录组和表观组上有很好的研究基础和经验的临床医生，非常适用。
■ 此类研究可助力更好的机制阐述：从目前已经发表的文章来看，肠道菌群和宿主的转录组、基因组、蛋白组、表观组甚至单细胞层面上都可以进行关联，这样可以基于前期大量的菌群研究基础之上，更好更深入的探究菌群和宿主之间的相互作用。
■ 生信联合分析个性化：由于此类研究涉及到菌群和多个组学的联合分析，因此需要团队生信分析能力较强，可以进行组学关联分析和信息挖掘。
■ 利用得到的标志物参数构建模型：多组学的研究势必会得到更多的参数，而利用更多的参数构建疾病诊断模型，既有很好的临床意义，又可以丰富研究的内容。因此菌群与宿主的关联研究，最终可落脚在标志物筛找上。
