在《Nature》期刊发表的这篇文章中，来自南非的科研团队探讨了非洲肠道微生物组的多样性及其与地理、生活方式、遗传和环境因素的关系。尽管全球84%的人口生活在低收入和中等收入国家，但这些国家在大规模肠道微生物组研究中代表性不足。AWI-Gen 2微生物组项目对来自布基纳法索、加纳、肯尼亚和南非的1,801名女性进行了横断面研究，通过对不同社区的采样，涵盖了从农村到城市非正式定居点的多样性。研究通过宏基因组测序发现了与地理和生活方式相关的微生物种类变化，如城市人口中Treponema和Cryptobacteroides物种的减少和Bifidobacterium物种的增加。此外，研究揭示了1,005个细菌宏基因组装基因组，并发现抗生素敏感性可能是城市人口中Treponema succinifaciens缺失的因素之一。研究还发现了一些与HIV感染相关的微生物特征，这些特征在之前的研究中未被关联到HIV。这项研究是迄今为止对非洲个体肠道宏基因组最大规模的人口代表性调查，为微生物组相关的发现提供了广泛的机会。在全球微生物学研究中，人类肠道微生物组的多样性及其与宿主健康的相关性引起了广泛关注。肠道微生物组不仅在营养吸收、免疫调节和新陈代谢中扮演着重要角色，还与多种疾病的发生、发展密切相关。现有研究多数着眼于发达国家的人群，忽略了低收入和中等收入国家（LMICs）的肠道微生物多样性，而这些国家约占全球总人口的84%。这种不平衡的代表性容易导致关于肠道微生物与疾病关系的结论不具可移植性，使得不同人群的生活习惯、资源获取和环境暴露特征无法被充分理解和利用。因此，为了真实反映人群间的差异性和多样性，尤其在LMICs中进行的大规模、具有代表性的人群研究显得尤为重要。针对这一研究空白，AWI-Gen 2微生物群项目（Africa Wits-INDEPTH Partnership for Genomic Studies）应运而生，该项目隶属于非洲人类遗传与健康合作组织（H3Africa）。AWI-Gen项目在布基纳法索、加纳、肯尼亚及南非的六个社群中，随机选取1801名女性进行了跨剖面的肠道微生物群分析。这些社群涵盖了多种人群特征、人口密度、经济水平和疾病状态，通过与本地社区的深入合作采集血液、尿液及粪便样本，结合人口统计及临床生物标志物的数据，来探讨地理和生活方式对肠道微生物群组成的影响。此外，研究特别关注了HIV感染与肠道微生物之间的联系，希望通过识别与感染相关的特定菌群，为未来的微生物研究及潜在的临床应用提供科学的基础。这样的大规模、深入的分析无疑为非洲肠道微生物组的丰富性提供了新的视角，并为微生物群研究的全球代表性与多样性作出了重要贡献。研究发现，地理位置对微生物组的变异有最强的影响。使用枪法宏基因组测序，研究识别了与地理和生活方式相关的分类群，包括城市人口中Treponema和Cryptobacteroides物种的丧失以及Bifidobacterium物种的增加。研究还发现了1005个细菌宏基因组组装的基因组，并识别出抗生素敏感性可能是导致城市人口中Treponema succinifaciens缺失的因素。此外，研究发现了由几个以前未与HIV相关的分类群定义的HIV感染特征，包括Dysosmobacter welbionis和Enterocloster sp.。研究通过对不同地理位置和生活方式的群体进行采样，揭示了肠道微生物组的多样性和组成的显著差异。地理位置是影响微生物组组成的主要因素，尤其是在城市化和工业化水平不同的地区。研究还发现，HIV状态是影响微生物组变异的一个重要因素，HIV感染与特定的微生物群落变化有关，这些变化在高收入国家的研究中未被观察到。通过对这些未被充分研究的人群进行深入的微生物组研究，研究为未来的微生物组相关发现提供了广泛的机会。
多样性和代表性：本研究为非洲的肠道微生物群提供了最大规模的代表性调查，填补了低收入和中等收入国家在此领域的研究空白。这有助于提高对全球肠道微生物多样性的理解，并促进更具包容性的全球健康研究。城市化影响：研究发现城市化对肠道微生物组的组成有显著影响。例如，城市人口中某些益生菌（如双歧杆菌）的增加以及特定细菌（如螺旋体和隐杆菌）的减少。这些发现对于理解城市化和现代生活方式对微生物组的影响具有重要意义，可能影响到未来的公共卫生政策和个人健康指导。HIV感染相关特征：研究确定了一些与HIV感染相关的微生物特征，这些特征在先前的研究中未曾提及。这为未来关于HIV感染者肠道健康的研究提供了新线索，尤其是在非洲这种高HIV流行率的地区。抗生素使用及其影响：研究揭示了抗生素使用与特定细菌（如T. succinifaciens）缺失之间的关联。这一发现强调了合理使用抗生素的重要性，并可能影响到抗生素管理策略的制定。总体而言，这项研究不仅为非洲肠道微生物的多样性提供了重要数据，还为全球微生物组研究提供了新的视角，强调了文化和地理背景对健康的影响，呼吁更多在不同人群中的微生物组研究以改善全球健康。1. 研究设计与样本采集：研究采用横断面设计，针对布基纳法索、加纳、肯尼亚和南非的6个研究中心的1801名女性进行采样。采样地点包括从农村到城市非正式定居点的多样化社区，以捕捉全球人口多样性。参与者提供血液、尿液和粪便样本，并完成详细的问卷调查以获取人口统计、健康历史和生活方式数据。2. 微生物组测序与分析：利用粪便样本进行宏基因组shotgun测序以识别与地理和生活方式相关的菌种。通过DNA提取和双端测序生成数据，然后去除人源序列以确保质量。使用mOTUs3进行分类和GTDB分类法进行特征汇总。3. 数据处理与生物信息学分析：构建并分析1,005个细菌宏基因组装基因组，识别与抗生素敏感性相关的因素。通过距离冗余分析评估地理位置、疾病和生活方式对微生物组组成变化的影响。研究发现地理位置是影响微生物组变化的最主要因素，其次是抗生素使用、腹泻等变量。4. 特定菌株的深入研究：重点研究Treponema succinifaciens等特定菌株在不同地理和生活方式背景下的分布和特征。研究抗生素使用与T. succinifaciens缺失之间的相关性，并探索其可能的抗生素抗性机制。5. 病毒组的探索：除了细菌，研究还探索了样本中的病毒多样性，特别是在不同地理区域的病毒基因组目录。识别了新的大噬菌体（jumbophages），并研究其在宿主中的持久性特征。
图1：AWI-Gen 2队列中的微生物群落组成和多样性
Figure 1 展示了AWI-Gen 2队列中不同研究地点的微生物群落组成和多样性分析结果。a. 实验设计和结果：展示了每个研究地点的样本数量和位置，图中用深灰色标识了包含研究地点的国家。结论：提供了研究样本的地理分布信息。b. 实验设计和结果：通过基于Bray–Curtis距离的物种水平原核生物谱系进行主坐标分析。研究地点用颜色编码，箱线图显示了每个地点的样本在第一和第二主坐标上的投影。结论：不同研究地点的微生物群落在物种水平上存在显著差异。c. 实验设计和结果：使用逆Simpson指数（经过稀释处理后）分析每个地点的原核生物多样性。Kruskal–Wallis检验结果显示，P值小于2 × 10^-16，样本数为1,796（经过质量控制并去除男性个体的数据）。结论：不同地点的原核生物多样性存在显著差异。d. 实验设计和结果：热图显示了在不同地点之间具有高广义倍数变化的原核生物物种数量；地点根据这些物种的数量进行聚类。结论：不同地点的微生物群落在物种数量上存在显著差异。e. 实验设计和结果：展示了在不同地点中倍数变化和中位数方差最大的属的log10（相对丰度）。结论：不同地点的微生物属在相对丰度上存在显著差异。f. 实验设计和结果：展示了e中所示属内所有物种在每个地点的平均相对丰度的log10值。对于Prevotella、Oribacterium、Cryptobacteroides和Treponema，所有具有科学名称的物种都被突出显示；其他属仅标出了丰度最高的具有科学名称的物种。结论：不同地点的微生物物种在相对丰度上存在显著差异。结论：AWI-Gen 2队列中不同研究地点的微生物群落在组成和多样性上存在显著差异，反映了地理位置对微生物群落的影响。
图2：原核生物的新颖性和特征
Figure 2 展示了细菌和古菌的基因组多样性及其特征，分析了不同环境中细菌和古菌的基因组特征，并探讨了抗生素使用与肠道微生物群的关系。a. 为了研究细菌的系统发育关系，作者构建了2,584个去重复的细菌宏基因组装配体（MAGs）的系统发育树。外圈表示研究地点，内圈表示GTDB门分类，蓝绿色分支表示Spirochaetota门。b,c. 为了比较新发现的细菌基因组数量，作者分析了不同门分类中先前未知的细菌基因组数量（b），以及AWI-Gen组装中的新旧细菌基因组相对于UHGG集合的数量（c）。仅展示了代表性基因组。d. 为了研究古菌的多样性，作者在AWI-Gen 2基因组集合中发现了不同的古菌门和物种。e,f. 为了探讨T. succinifaciens在肠道微生物群中的存在与抗生素使用和髋围的关系，作者对来自布基纳法索Nanoro和加纳Navrongo的617名个体进行了自我报告的抗生素使用情况（e）和髋围测量（f）。通过线性模型调整研究地点（e）以及研究地点和抗生素历史（f）作为随机效应进行差异检验。箱线图的箱体表示四分位距（IQR），粗黑线表示中位数，须表示1.5倍IQR内的最极端点。g. 为了研究抗生素抗性基因的流行情况，作者分析了244个T. succinifaciens MAGs中抗生素抗性基因的流行情况，并按药物类别排序。h. 为了研究糖苷水解酶基因的流行情况，作者分析了AWI-Gen 2基因组集合中具有最多MAGs的六种Spirochaetota物种中的糖苷水解酶基因流行情况。仅展示了至少在5%基因组中存在的糖苷水解酶。结论：本图揭示了细菌和古菌基因组的多样性，展示了不同门分类中未知基因组的数量，分析了T. succinifaciens与抗生素使用和髋围的关系，并探讨了抗生素抗性基因和糖苷水解酶基因的流行情况。
图3：AWI-Gen 2队列中的病毒新颖性和多样性Figure 3 展示了AWI-Gen 2队列中病毒基因组的流行情况、新旧病毒基因组的数量、噬菌体丰富度以及特定病毒的分布和基因组特征。A. 为了研究病毒基因组在AWI-Gen 2人群中的流行情况，作者分析了至少18个个体（约占AWI-Gen 2人群的1%）中发现的病毒基因组。结果显示，某一地点中组装的病毒基因组与代表性病毒基因组共享95% ANI的比例。相对于MGV目录的新病毒基因组和属于Crassvirales目下的病毒基因组被特别标出。B. 为了比较AWI-Gen 2队列中相对于MGV的新旧病毒基因组数量，作者统计了新病毒和现有病毒基因组的总数。C. 通过Kruskal–Wallis检验分析了每个地点的噬菌体丰富度（每个样本中存在的噬菌体种群簇的数量）。箱线图中，箱体表示四分位距（IQR），粗黑线表示中位数，须线表示在1.5倍IQR范围内的最极端点。D. 为了研究Crassvirales病毒和典型crAssphage在不同地点的流行情况，作者通过读取水平丰度确定其分布。E. 为了展示九种先前未知的巨噬菌体的基因组特征，作者提供了这些巨噬菌体的基因组图谱，包括基因组注释、长度（以kb为单位）以及每个基因组中显著遗传特征的数量。结论：AWI-Gen 2队列中发现了多样性和新颖性的病毒基因组，特别是在Crassvirales目下的病毒和新发现的巨噬菌体，展示了病毒群体在不同地点的丰富性和特定分布。
Figure 4 展示了艾滋病毒感染者（PLWH）与艾滋病毒未感染者（HIV−）在微生物组组成和多样性方面的比较。在4a中，图示显示了每个研究地点（Agincourt、Soweto和Nairobi）内艾滋病毒未感染者与艾滋病毒感染者的具体人数。艾滋病毒未感染者数量显著高于感染者，尤其在Agincourt和Soweto。4b图中，使用了稀释后的逆Simpson指数计算了不同地点及艾滋病毒状态之间的原核生物多样性。结果显示，艾滋病毒感染者的多样性普遍低于未感染者。而每个研究地点的数据也证实了这一趋势，虽然显现出略微的地点差异。4c图提供了基础坐标分析用于比较不同样本在原核生物物种层面的Bray-Curtis距离。可以看到，样本点按研究地点进行颜色编码，并用阴影标示出艾滋病毒感染者的范围。盒线图展示了艾滋病毒状态对主坐标的投影结果，进一步说明了两者的差异性。最后，在4d图中，显示了通过线性混合效应模型分析的与艾滋病毒状态有显著差异的物种。图示中突出了q值小于0.01的物种，并标记了q值小于1e-5的物种。这些物种的数据揭示了在艾滋病毒感染者与未感染者之间，细菌的丰度变化，尤其在艾滋病毒感染者中观察到了一些此前未被研究联系到艾滋病毒的新物种。
