npj Biofilms Microbiomes (1區) I 浙江大學吳息鳳團隊：從1401人宏基因組數據解析MASLD腸道菌株特征與糖酵解/LPS通路異常!

2026年6月21日，浙江大學醫學院附屬第二醫院/浙江大學醫學院公共衛生學院吳息鳳團隊等，在npj Biofilms and Microbiomes（中科院1區，Impact Factor=11.4）在線發表題為“Characterization of gut microbiome signatures in metabolic dysfunction associated steatotic liver disease”的研究論文。

該研究基于“健康浙江百萬人群隊列”（HOPE）一個項目點的1401名參與者，采用鳥槍法宏基因組測序，從菌群組成、菌株分辨率特征、微生物功能通路及單菌株基因組層面，系統刻畫了代謝功能障礙相關脂肪性肝病（MASLD）患者的腸道微生物組特征。研究發現，MASLD患者存在腸道菌群多樣性、網絡穩定性、特定菌株豐度及糖酵解、丙酮酸代謝、脂多糖（LPS）生物合成相關功能潛能的顯著改變，為理解MASLD的腸道微生態機制提供了人群宏基因組證據。

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【摘 要】

本橫斷面研究比較了代謝功能障礙相關脂肪性肝病（MASLD）患者與健康對照人群之間的腸道微生物差異。研究共納入1401名參與者，其中包括392例MASLD患者和1009名健康對照，樣本來自“健康浙江百萬人群隊列”（HOPE）一個項目點，納入時間為2022年1月至2023年6月。

研究采用鳥槍法宏基因組測序，比較MASLD患者和健康對照之間腸道微生物組的組成及功能特征。與健康對照相比，MASLD患者的腸道菌群α多樣性和β多樣性均發生顯著改變，同時腸道微生物網絡的連接性和穩健性降低。研究進一步鑒定出12個在兩組之間豐度顯著不同的微生物菌株，其中t_SGB4749和t_SGB4753在MASLD患者中富集，另外10個菌株在MASLD患者中減少。

與健康對照相比，MASLD患者在宏基因組功能譜和單菌株基因組分析中均表現出與糖酵解增強、丙酮酸代謝降低以及脂多糖（LPS）生物合成升高相關的基因組功能潛能差異。這些發現提示，特定腸道菌株及其代謝通路改變可能參與MASLD的發生發展。

01

研究背景及科學問題

代謝功能障礙相關脂肪性肝病（MASLD）此前被稱為非酒精性脂肪性肝病（NAFLD），其主要特征是肝細胞內脂肪過度蓄積，并伴隨多種心血管代謝異常。MASLD在全球范圍內患病率較高，已經成為慢性肝病的主要病因之一，影響約25%的一般人群，在肥胖人群中比例可高達90%。約20%的MASLD病例可進一步進展為代謝功能障礙相關脂肪性肝炎，并具有較高的肝纖維化、肝硬化、肝細胞癌以及腹水、肝性腦病、門靜脈高壓等肝臟相關并發癥風險。

腸道微生物群在消化、宿主免疫和代謝健康中具有重要作用。已有研究顯示，腸道微生物與MASLD之間存在密切聯系，但不同研究鑒定出的菌群特征并不一致，這可能與樣本量、測序方法和分析策略差異有關。這種不一致也提示宏基因組關聯研究存在一定異質性。因此，需要結合大規模宏基因組測序和更先進的分析技術，如MetaPhlAn4和HUMAnN3，更深入地闡明MASLD患者的腸道微生物特征，并理解腸道微生物特征變化如何影響MASLD的發生和進展。

既往研究已將特定腸道微生物物種與2型糖尿病、MASLD等代謝性疾病聯系起來。然而，即使屬于同一物種，不同菌株之間的基因組同源性差異也可高達30%，這一差異甚至明顯大于人類與小鼠之間約10%的基因組差異。菌株與表型之間的特異性聯系提示，僅在屬或種水平研究微生物特征，可能不足以全面理解疾病相關微生態改變。目前，關于MASLD患者關鍵腸道菌株是否以及如何隨疾病發生發展而改變，仍缺乏充分認識。

在本研究中，作者采用先進的生物信息學方法，分析MASLD患者和健康對照糞便樣本的深度宏基因組測序數據。該策略不僅有助于描繪MASLD相關的腸道微生物組特征，還進一步分離和表征差異豐度菌株的基因組及其功能基因注釋。

02

重要發現及亮點

研究人群特征

本研究共納入392例MASLD患者和1009名健康對照。所有參與者的平均年齡為35.0 ± 11.1歲，女性占48.3%。大多數參與者為城市居民，占71.1%；受教育程度較高，90.1%的參與者具有本科及以上學歷；63.6%的參與者報告家庭年收入超過30萬元。

MASLD患者與健康對照在糞便性狀方面存在差異。MASLD患者的Bristol糞便評分顯著更高（4.31 ± 1.10 vs. 4.07 ± 1.15，P < 0.01），每日排便≥1次的比例更低（6.9% vs. 16.0%，P < 0.01）。作者認為，這些模式可能反映了疾病本身的內在特征。兩組在腹瀉比例、近期抗生素或益生菌使用方面未見顯著差異。

MASLD患者腸道菌群整體組成和網絡結構發生改變

研究對所有參與者進行了深度鳥槍法宏基因組測序。質量過濾前，平均每個樣本獲得約8650萬條reads；過濾后平均為8580萬條reads。由于污染或低質量而被去除的reads平均僅占0.1%。

在排除低流行率分類單元后，研究共識別出11個門、42個綱、58個目、84個科、287個屬、567個種和679個菌株。在門水平上，與健康對照相比，MASLD組擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門（Proteobacteria）相對豐度升高，而厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteria）相對豐度降低。經過FDR校正后，擬桿菌門、厚壁菌門和放線菌門差異仍具有統計學意義，變形菌門則呈現名義顯著趨勢。

共現網絡拓撲特征也顯示，MASLD患者與健康對照之間存在明顯差異。MASLD組網絡密度、標準化度中心性和傳遞性分別為0.03、0.01和0.43，而健康對照組分別為0.04、0.02和0.49。此外，MASLD組網絡穩健性較低，原始值為31.74，而健康對照組為38.85。除豐富度外，MASLD患者所有α多樣性指標均顯著降低；基于Bray–Curtis距離并采用置換多元方差分析（PERMANOVA）評估的β多樣性顯示，兩組腸道菌群組成存在顯著差異。

圖1：MASLD組和對照組腸道微生物組組成概覽。（A）MASLD組和對照組細菌門水平比較。（B）MASLD組和對照組微生物組網絡存在差異。左圖為MASLD組網絡，右圖為對照組網絡。每個節點代表一個細菌菌株，并按其所屬細菌門著色。節點大小反映其在網絡中的度，節點之間的邊代表預測的相互作用；紅色表示正向相互作用，藍色表示負向相互作用。（C）MASLD網絡和對照網絡的穩健性曲線。（D）MASLD與細菌α多樣性之間的關聯。P值來自線性回歸模型，模型校正了性別、年齡、居住地、受教育水平、收入、當前吸煙狀態和飲酒情況。（E）基于Bray–Curtis距離的主坐標分析（PCoA），用于比較MASLD組和對照組細菌β多樣性，并采用PERMANOVA分析。

菌株分辨率分析鑒定MASLD相關腸道菌株

在檢測的679個微生物菌株中，研究通過Wilcoxon秩和檢驗和MaAsLin2兩種方法共同鑒定出12個與MASLD相關的菌株。這些菌株大多屬于梭菌綱（Clostridia）。其中9個菌株在兩種方法中均達到FDR < 0.05，另外3個菌株在Wilcoxon檢驗中達到FDR < 0.05，在MaAsLin2分析中達到FDR < 0.1。

在這12個MASLD相關菌株中，有2個菌株在MASLD參與者中富集，10個菌株在MASLD參與者中減少。進一步在物種和屬水平分析發現，MASLD組與對照組之間還存在11個差異物種和7個差異屬。多數物種和屬層面的結果與SGB水平菌株較為一致，但也存在一些僅在菌株水平上能夠捕捉到的信號。例如，t__SGB5180在菌株水平上存在差異，但在物種水平上不再顯著；t__SGB5087和t__SGB8059_group在菌株水平上存在差異，但在屬水平上未被檢測到。

研究進一步采用標準化Kleinberg hub中心性評分評估菌株在網絡中的重要性。隨著豐度變化，這12個MASLD相關菌株的hub評分也發生明顯改變。相關網絡分析顯示，3個MASLD相關菌株及其最近鄰之間的相關性主要出現在梭菌目（Clostridiales）內部。在MASLD相關菌株之間，僅發現一個顯著相關關系：t_SGB15078與t_SGB15154呈正相關。

由于MASLD的特征是異常肝脂沉積，并伴隨系統性代謝紊亂，作者進一步采用Spearman相關分析探索腸道菌群與代謝臨床指標之間的關系。結果顯示，除t_SGB14963和t_SGB4621外，大多數MASLD相關菌株均與代謝臨床指標相關。肝酶指標AST、ALT，血糖指標Glu、HbA1c以及炎癥標志物hsCRP與MASLD中富集菌株呈正相關，而與MASLD中減少的菌株呈負相關；高密度脂蛋白（HDL）則表現出相反趨勢。

圖2：MASLD相關菌株特征。（A）由MaAsLin2和Wilcoxon秩和檢驗共同識別出的MASLD相關菌株。（B）12個MASLD相關菌株的差異相對豐度、倍數變化和網絡hub評分。（C）3個MASLD相關菌株的網絡相關性圖。（D）12個MASLD相關菌株與臨床風險因素或保護因素之間的相關性。星號（*）表示FDR < 0.05。

MASLD患者腸道微生物代謝能力發生改變

研究共鑒定出29條與MASLD相關的通路（P < 0.05），其中只有2條達到FDR < 0.05。MASLD宏基因組通路中的若干特征為理解疾病發生機制提供了線索。

在MASLD組中，研究觀察到糖代謝異常，包括糖酵解IV通路升高（OR = 1.32，P = 0.04）、丙酮酸發酵生成丁酸通路降低（OR = 0.69，P = 0.01）以及蔗糖降解IV通路降低（OR = 0.71，P = 0.01）。同時，脂質穩態和LPS生物合成相關通路也發生改變，包括脂肪酸生物合成起始超通路降低（OR = 0.64，P = 0.01）以及（Kdo）2-lipid A生物合成超通路升高（OR = 1.34，P = 0.04）。

為評估結果穩健性，研究在具有完整數據的子集（N = 1256）中進一步校正Bristol糞便評分、排便頻率和近期抗生素使用情況。大多數菌株水平和通路水平關聯在額外校正后仍保持顯著。具體而言，在菌株水平上，12個差異菌株中有10個仍具有顯著性；t__SGB5180和t__SGB15078的效應方向保持一致，FDR值接近顯著性閾值。在功能層面，29條差異通路中有20條仍保持顯著，包括與碳水化合物代謝、炎癥和脂肪酸合成相關的關鍵通路。

研究還利用XGBoost模型和10折交叉驗證評估微生物特征對MASLD分類的貢獻。僅包含性別、年齡以及MASLD相關肝酶AST和ALT的基礎模型AUC為0.82，靈敏度為0.75，特異度為0.77。當將所有微生物特征，包括菌株相對豐度和通路相對豐度，加入基礎模型后，AUC升高至0.86（DeLong檢驗，P = 0.03），靈敏度提高至0.81，特異度提高至0.82。該結果表明，微生物特征可顯著提升MASLD分類模型的性能。

圖3：MASLD組和對照組腸道微生物功能比較。（A）29條差異MetaCyc通路的特征。完整名稱見補充表3。P值來自邏輯回歸模型，模型校正了性別、年齡、居住地、受教育水平、收入、當前吸煙狀態和飲酒情況。（B）對PWY-1042通路有貢獻的細菌屬。（C）對KDO-NAGLIPASYN-PWY通路有貢獻的細菌屬。（D）基于XGBoost機器學習方法顯示，微生物組特征可提高MASLD狀態分類準確性。

MASLD相關菌株具有不同代謝功能潛能

為進一步探究MASLD相關菌株的具體代謝功能，研究對所有高質量菌株基因組進行了重建，標準為完整度≥90%、污染度≤2%。MASLD相關菌株的平均基因組大小為2,401,807 bp，GC含量為47.46%，每個菌株平均預測編碼基因為2366個。作者構建了t_SGB4749和t_SGB4753的基因組環形圖，用于展示其組裝和注釋狀態。

對所有MASLD相關菌株進行KEGG二級注釋后，共發現11類代謝通路，其中碳水化合物代謝占比最高，為25.89%；其次為氨基酸代謝，占19.49%；輔因子和維生素代謝占11.42%。在KEGG三級水平上，研究識別出114條代謝通路，其中富集程度最高的包括嘌呤代謝（4.47%）、肽聚糖生物合成（3.31%）以及半胱氨酸和蛋氨酸代謝（3.24%）。

通過比較MASLD患者中豐度升高菌株和豐度降低菌株的基因組，研究發現三類通路基因存在關鍵差異。首先，在MASLD患者中富集的菌株含有更多參與糖酵解的基因，包括pfk和FBA。其次，這些富集菌株具有較少或缺失參與丙酮酸代謝的基因，包括一組丙酮酸-鐵氧還蛋白氧化還原酶基因por、porA、porB、porC和porD，以及參與脂肪酸氧化的酶基因，如ACAT。最后，MASLD患者中豐度升高的菌株含有更多LPS合成相關基因，包括gmhA、gmhB、hddA和hddC。

圖4：MASLD相關菌株的全基因組特征。（A）t_SGB4749（左）和t_SGB4753（右）的完整基因組。基因組圖由8個同心圓組成。最外圈顯示注釋到COG的基因名稱。由外向內，各圈依次表示以下信息：（1）正向CDS；（2）contig；（3）反向CDS；（4）正向COG功能分類；（5）反向COG功能分類；（6）G+C含量；（7）GC偏斜；（8）基因組大小標識。（B）MASLD相關菌株的系統發育樹（左）以及不同通路中目標基因的熱圖（右）。熱圖數值基于參與每條通路的基因組總數進行z-score標準化計算。酶及其編碼基因的完整名稱見補充表4。

【貢獻】★★★★★

本研究表明，仙連解毒方可通過以Plaur為中心的機制抑制結直腸癌肝轉移。XLJDD能夠抑制Plaur相關信號，限制腫瘤細胞中的肌動蛋白骨架重塑，并削弱惡性細胞與腫瘤相關巨噬細胞之間Spp1-Cd44介導的通訊。結合cyclogalegenin作為一種可進入組織并結合Plaur的成分被鑒定出來，這些發現為進一步開展XLJDD在CRLM中的臨床前評價提供了機制和藥理學依據。

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