npj Biofilms Microbiomes (1区) I 浙江大学吴息凤团队：从1401人宏基因组数据解析MASLD肠道菌株特征与糖酵解/LPS通路异常!

2026年6月21日，浙江大学医学院附属第二医院/浙江大学医学院公共卫生学院吴息凤团队等，在npj Biofilms and Microbiomes（中科院1区，Impact Factor=11.4）在线发表题为“Characterization of gut microbiome signatures in metabolic dysfunction associated steatotic liver disease”的研究论文。

该研究基于“健康浙江百万人群队列”（HOPE）一个项目点的1401名参与者，采用鸟枪法宏基因组测序，从菌群组成、菌株分辨率特征、微生物功能通路及单菌株基因组层面，系统刻画了代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）患者的肠道微生物组特征。研究发现，MASLD患者存在肠道菌群多样性、网络稳定性、特定菌株丰度及糖酵解、丙酮酸代谢、脂多糖（LPS）生物合成相关功能潜能的显著改变，为理解MASLD的肠道微生态机制提供了人群宏基因组证据。

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【摘 要】

本横断面研究比较了代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）患者与健康对照人群之间的肠道微生物差异。研究共纳入1401名参与者，其中包括392例MASLD患者和1009名健康对照，样本来自“健康浙江百万人群队列”（HOPE）一个项目点，纳入时间为2022年1月至2023年6月。

研究采用鸟枪法宏基因组测序，比较MASLD患者和健康对照之间肠道微生物组的组成及功能特征。与健康对照相比，MASLD患者的肠道菌群α多样性和β多样性均发生显著改变，同时肠道微生物网络的连接性和稳健性降低。研究进一步鉴定出12个在两组之间丰度显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个菌株在MASLD患者中减少。

与健康对照相比，MASLD患者在宏基因组功能谱和单菌株基因组分析中均表现出与糖酵解增强、丙酮酸代谢降低以及脂多糖（LPS）生物合成升高相关的基因组功能潜能差异。这些发现提示，特定肠道菌株及其代谢通路改变可能参与MASLD的发生发展。

01

研究背景及科学问题

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）此前被称为非酒精性脂肪性肝病（NAFLD），其主要特征是肝细胞内脂肪过度蓄积，并伴随多种心血管代谢异常。MASLD在全球范围内患病率较高，已经成为慢性肝病的主要病因之一，影响约25%的一般人群，在肥胖人群中比例可高达90%。约20%的MASLD病例可进一步进展为代谢功能障碍相关脂肪性肝炎，并具有较高的肝纤维化、肝硬化、肝细胞癌以及腹水、肝性脑病、门静脉高压等肝脏相关并发症风险。

肠道微生物群在消化、宿主免疫和代谢健康中具有重要作用。已有研究显示，肠道微生物与MASLD之间存在密切联系，但不同研究鉴定出的菌群特征并不一致，这可能与样本量、测序方法和分析策略差异有关。这种不一致也提示宏基因组关联研究存在一定异质性。因此，需要结合大规模宏基因组测序和更先进的分析技术，如MetaPhlAn4和HUMAnN3，更深入地阐明MASLD患者的肠道微生物特征，并理解肠道微生物特征变化如何影响MASLD的发生和进展。

既往研究已将特定肠道微生物物种与2型糖尿病、MASLD等代谢性疾病联系起来。然而，即使属于同一物种，不同菌株之间的基因组同源性差异也可高达30%，这一差异甚至明显大于人类与小鼠之间约10%的基因组差异。菌株与表型之间的特异性联系提示，仅在属或种水平研究微生物特征，可能不足以全面理解疾病相关微生态改变。目前，关于MASLD患者关键肠道菌株是否以及如何随疾病发生发展而改变，仍缺乏充分认识。

在本研究中，作者采用先进的生物信息学方法，分析MASLD患者和健康对照粪便样本的深度宏基因组测序数据。该策略不仅有助于描绘MASLD相关的肠道微生物组特征，还进一步分离和表征差异丰度菌株的基因组及其功能基因注释。

02

重要发现及亮点

研究人群特征

本研究共纳入392例MASLD患者和1009名健康对照。所有参与者的平均年龄为35.0 ± 11.1岁，女性占48.3%。大多数参与者为城市居民，占71.1%；受教育程度较高，90.1%的参与者具有本科及以上学历；63.6%的参与者报告家庭年收入超过30万元。

MASLD患者与健康对照在粪便性状方面存在差异。MASLD患者的Bristol粪便评分显著更高（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）。作者认为，这些模式可能反映了疾病本身的内在特征。两组在腹泻比例、近期抗生素或益生菌使用方面未见显著差异。

MASLD患者肠道菌群整体组成和网络结构发生改变

研究对所有参与者进行了深度鸟枪法宏基因组测序。质量过滤前，平均每个样本获得约8650万条reads；过滤后平均为8580万条reads。由于污染或低质量而被去除的reads平均仅占0.1%。

在排除低流行率分类单元后，研究共识别出11个门、42个纲、58个目、84个科、287个属、567个种和679个菌株。在门水平上，与健康对照相比，MASLD组拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门（Proteobacteria）相对丰度升高，而厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）相对丰度降低。经过FDR校正后，拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门差异仍具有统计学意义，变形菌门则呈现名义显著趋势。

共现网络拓扑特征也显示，MASLD患者与健康对照之间存在明显差异。MASLD组网络密度、标准化度中心性和传递性分别为0.03、0.01和0.43，而健康对照组分别为0.04、0.02和0.49。此外，MASLD组网络稳健性较低，原始值为31.74，而健康对照组为38.85。除丰富度外，MASLD患者所有α多样性指标均显著降低；基于Bray–Curtis距离并采用置换多元方差分析（PERMANOVA）评估的β多样性显示，两组肠道菌群组成存在显著差异。

图1：MASLD组和对照组肠道微生物组组成概览。（A）MASLD组和对照组细菌门水平比较。（B）MASLD组和对照组微生物组网络存在差异。左图为MASLD组网络，右图为对照组网络。每个节点代表一个细菌菌株，并按其所属细菌门着色。节点大小反映其在网络中的度，节点之间的边代表预测的相互作用；红色表示正向相互作用，蓝色表示负向相互作用。（C）MASLD网络和对照网络的稳健性曲线。（D）MASLD与细菌α多样性之间的关联。P值来自线性回归模型，模型校正了性别、年龄、居住地、受教育水平、收入、当前吸烟状态和饮酒情况。（E）基于Bray–Curtis距离的主坐标分析（PCoA），用于比较MASLD组和对照组细菌β多样性，并采用PERMANOVA分析。

菌株分辨率分析鉴定MASLD相关肠道菌株

在检测的679个微生物菌株中，研究通过Wilcoxon秩和检验和MaAsLin2两种方法共同鉴定出12个与MASLD相关的菌株。这些菌株大多属于梭菌纲（Clostridia）。其中9个菌株在两种方法中均达到FDR < 0.05，另外3个菌株在Wilcoxon检验中达到FDR < 0.05，在MaAsLin2分析中达到FDR < 0.1。

在这12个MASLD相关菌株中，有2个菌株在MASLD参与者中富集，10个菌株在MASLD参与者中减少。进一步在物种和属水平分析发现，MASLD组与对照组之间还存在11个差异物种和7个差异属。多数物种和属层面的结果与SGB水平菌株较为一致，但也存在一些仅在菌株水平上能够捕捉到的信号。例如，t__SGB5180在菌株水平上存在差异，但在物种水平上不再显著；t__SGB5087和t__SGB8059_group在菌株水平上存在差异，但在属水平上未被检测到。

研究进一步采用标准化Kleinberg hub中心性评分评估菌株在网络中的重要性。随着丰度变化，这12个MASLD相关菌株的hub评分也发生明显改变。相关网络分析显示，3个MASLD相关菌株及其最近邻之间的相关性主要出现在梭菌目（Clostridiales）内部。在MASLD相关菌株之间，仅发现一个显著相关关系：t_SGB15078与t_SGB15154呈正相关。

由于MASLD的特征是异常肝脂沉积，并伴随系统性代谢紊乱，作者进一步采用Spearman相关分析探索肠道菌群与代谢临床指标之间的关系。结果显示，除t_SGB14963和t_SGB4621外，大多数MASLD相关菌株均与代谢临床指标相关。肝酶指标AST、ALT，血糖指标Glu、HbA1c以及炎症标志物hsCRP与MASLD中富集菌株呈正相关，而与MASLD中减少的菌株呈负相关；高密度脂蛋白（HDL）则表现出相反趋势。

图2：MASLD相关菌株特征。（A）由MaAsLin2和Wilcoxon秩和检验共同识别出的MASLD相关菌株。（B）12个MASLD相关菌株的差异相对丰度、倍数变化和网络hub评分。（C）3个MASLD相关菌株的网络相关性图。（D）12个MASLD相关菌株与临床风险因素或保护因素之间的相关性。星号（*）表示FDR < 0.05。

MASLD患者肠道微生物代谢能力发生改变

研究共鉴定出29条与MASLD相关的通路（P < 0.05），其中只有2条达到FDR < 0.05。MASLD宏基因组通路中的若干特征为理解疾病发生机制提供了线索。

在MASLD组中，研究观察到糖代谢异常，包括糖酵解IV通路升高（OR = 1.32，P = 0.04）、丙酮酸发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）。同时，脂质稳态和LPS生物合成相关通路也发生改变，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）。

为评估结果稳健性，研究在具有完整数据的子集（N = 1256）中进一步校正Bristol粪便评分、排便频率和近期抗生素使用情况。大多数菌株水平和通路水平关联在额外校正后仍保持显著。具体而言，在菌株水平上，12个差异菌株中有10个仍具有显著性；t__SGB5180和t__SGB15078的效应方向保持一致，FDR值接近显著性阈值。在功能层面，29条差异通路中有20条仍保持显著，包括与碳水化合物代谢、炎症和脂肪酸合成相关的关键通路。

研究还利用XGBoost模型和10折交叉验证评估微生物特征对MASLD分类的贡献。仅包含性别、年龄以及MASLD相关肝酶AST和ALT的基础模型AUC为0.82，灵敏度为0.75，特异度为0.77。当将所有微生物特征，包括菌株相对丰度和通路相对丰度，加入基础模型后，AUC升高至0.86（DeLong检验，P = 0.03），灵敏度提高至0.81，特异度提高至0.82。该结果表明，微生物特征可显著提升MASLD分类模型的性能。

图3：MASLD组和对照组肠道微生物功能比较。（A）29条差异MetaCyc通路的特征。完整名称见补充表3。P值来自逻辑回归模型，模型校正了性别、年龄、居住地、受教育水平、收入、当前吸烟状态和饮酒情况。（B）对PWY-1042通路有贡献的细菌属。（C）对KDO-NAGLIPASYN-PWY通路有贡献的细菌属。（D）基于XGBoost机器学习方法显示，微生物组特征可提高MASLD状态分类准确性。

MASLD相关菌株具有不同代谢功能潜能

为进一步探究MASLD相关菌株的具体代谢功能，研究对所有高质量菌株基因组进行了重建，标准为完整度≥90%、污染度≤2%。MASLD相关菌株的平均基因组大小为2,401,807 bp，GC含量为47.46%，每个菌株平均预测编码基因为2366个。作者构建了t_SGB4749和t_SGB4753的基因组环形图，用于展示其组装和注释状态。

对所有MASLD相关菌株进行KEGG二级注释后，共发现11类代谢通路，其中碳水化合物代谢占比最高，为25.89%；其次为氨基酸代谢，占19.49%；辅因子和维生素代谢占11.42%。在KEGG三级水平上，研究识别出114条代谢通路，其中富集程度最高的包括嘌呤代谢（4.47%）、肽聚糖生物合成（3.31%）以及半胱氨酸和蛋氨酸代谢（3.24%）。

通过比较MASLD患者中丰度升高菌株和丰度降低菌株的基因组，研究发现三类通路基因存在关键差异。首先，在MASLD患者中富集的菌株含有更多参与糖酵解的基因，包括pfk和FBA。其次，这些富集菌株具有较少或缺失参与丙酮酸代谢的基因，包括一组丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶基因por、porA、porB、porC和porD，以及参与脂肪酸氧化的酶基因，如ACAT。最后，MASLD患者中丰度升高的菌株含有更多LPS合成相关基因，包括gmhA、gmhB、hddA和hddC。

图4：MASLD相关菌株的全基因组特征。（A）t_SGB4749（左）和t_SGB4753（右）的完整基因组。基因组图由8个同心圆组成。最外圈显示注释到COG的基因名称。由外向内，各圈依次表示以下信息：（1）正向CDS；（2）contig；（3）反向CDS；（4）正向COG功能分类；（5）反向COG功能分类；（6）G+C含量；（7）GC偏斜；（8）基因组大小标识。（B）MASLD相关菌株的系统发育树（左）以及不同通路中目标基因的热图（右）。热图数值基于参与每条通路的基因组总数进行z-score标准化计算。酶及其编码基因的完整名称见补充表4。

【贡献】★★★★★

本研究表明，仙连解毒方可通过以Plaur为中心的机制抑制结直肠癌肝转移。XLJDD能够抑制Plaur相关信号，限制肿瘤细胞中的肌动蛋白骨架重塑，并削弱恶性细胞与肿瘤相关巨噬细胞之间Spp1-Cd44介导的通讯。结合cyclogalegenin作为一种可进入组织并结合Plaur的成分被鉴定出来，这些发现为进一步开展XLJDD在CRLM中的临床前评价提供了机制和药理学依据。

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