撰文｜617

生命早期營養(yǎng)不良可能導(dǎo)致不可逆的認知和發(fā)育損傷。然而，全球5歲以下兒童中，有近5億（22%）存在因缺乏營養(yǎng)引發(fā)的發(fā)育遲緩問題，4540萬（6.7%）存在消瘦問題【1】。比較全球不同地區(qū)與國家，東南亞和撒哈拉以南的非洲營養(yǎng)不良水平最高，其中馬拉維共和國的發(fā)育遲緩問題尤為突出，發(fā)生率高達37%【2-3】。

之前的研究表明，腸道微生物失衡在兒童營養(yǎng)不良中發(fā)揮重要作用【4-6】。然而，傳統(tǒng)短讀長宏基因組學(xué)方法難以獲得完整微生物基因組，無法精準解析腸道微生物與兒童線性生長的關(guān)聯(lián)。

2025年9月9日，索爾克研究所Todd P. Michael、Jeremiah J. Minich團隊，圣路易斯華盛頓大學(xué)Mark J. Manary和加州大學(xué)圣地亞哥分校Rob Knight共同在Cell雜志上發(fā)表了題為Culture-independent meta-pangenomics enabled by long-read metagenomics reveals associations with pediatric undernutrition的文章。該研究利用長讀長測序技術(shù)及縱向采樣方案，深入分析了馬拉維兒童的腸道微生物組，發(fā)現(xiàn)腸道微生物組的組成和穩(wěn)定性與兒童線性生長關(guān)聯(lián)密切，為兒童營養(yǎng)不良的微生物組研究建立新標準。

目前的宏基因組研究主要使用短 讀長測序技術(shù)，獲得的測序read讀長大約在150-300個堿基。盡管短讀長測序成本低，但是數(shù)以億計的短reads給組裝完整的微生物基因組（cMAG）帶來了巨大的挑戰(zhàn)。這就好比拼拼圖，同樣一張圖，拼圖數(shù)目越多，難度就越大。

而長讀長測序技術(shù)盡管測序成本較高，但是其測得的read讀長（如PacBio的HiFi reads讀長平均在10-15kb）遠大于短讀長測序技術(shù)，大大便利了組裝cMAG。

因此，為深入探究腸道微生物組，作者決定采用長讀長測序技術(shù)的方法。目前長讀長測序技術(shù)主要由PacBio（PB）、Oxford Nanopore Technologie（ONT）以及Illumina（ ILMN）三家公司提供。

作者在一項于馬維拉開展的縱向采樣兒童生長臨床試驗（選取隊列中的8名兒童，縱向采樣11個月，共47份樣本）中對上述長讀長測序方法進行了測試。

結(jié)果顯示，PB和ONT的cMAGs/Gbp產(chǎn)量比ILMN高44-64倍。

PB（搭配metaMDGB組裝）表現(xiàn)最優(yōu)，從47份樣本中共組裝出986個cMAGs（839個環(huán)形），涵蓋363個物種（74個潛在新物種），且cMAGs完整性（＞90%）和準確性顯著高于ONT。不僅如此，PB生成單個cMAG的成本（16美元）還遠低于ONT（25美元）和ILMN（95-2370美元）。

隨后，作者將獲得的986個cMAG整合到微生物基因組數(shù)據(jù)庫GTDB R220中，以構(gòu)建更完善的新參考數(shù)據(jù)庫。

加入986個cMAG的新參考數(shù)據(jù)庫大幅降低了未知序列的比例（unclassified fraction）：用于生成cMAG的樣本中未知序列占比從52.3%降至16.5%，未用于cMAG構(gòu)建的樣本未知序列占比從53.2%降至32.4%。

此外，多樣性分析結(jié)果顯示，單時間點僅能捕獲36%的微生物多樣性，凸顯縱向采樣的必要性。

隨后作者拓展樣本集，在8名參與者樣本的基礎(chǔ)上，進一步納入39名參與者5個時間點的長讀長測序數(shù)據(jù)（淺測序）。

作者通過年齡別身高Z評分（LAZ）判斷兒童身高是否符合其年齡對應(yīng)的標準生長水平。LAZ是評估兒童線性生長狀況的核心指標，通過比較兒童身高與同年齡、同性別群體的平均值，計算標準差（Z值）來判斷其發(fā)育狀況。

微生物基因組穩(wěn)定性分析結(jié)果顯示，LAZ下降（生長遲緩）的兒童，其腸道微生物基因組ANI差異更大（即穩(wěn)定性更低）；進一步的分析顯示，一種在所有兒童中持續(xù)存在的物種Dialister sp000434475，其基因組在LAZ下降兒童中穩(wěn)定性更低。

上述結(jié)果表明，生長良好兒童的微生物基因組更穩(wěn)定，而生長遲滯兒童的微生物基因組更不穩(wěn)定。

對10個最豐富的微生物屬的泛基因組分析結(jié)果顯示，普雷沃氏菌屬（Prevotella）、糞桿菌屬（Faecalibacterium）、巨球型菌屬（Megasphaera）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）的基因含量與線性生長、母乳喂養(yǎng)顯著相關(guān)。

接著作者對上述4個關(guān)鍵屬進行了微生物全基因組關(guān)聯(lián)研究（mGWAS）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)89個基因與良好線性生長相關(guān)（如雙歧桿菌的gloB基因、糞桿菌的27個基因），169個基因與發(fā)育遲緩相關(guān)；多數(shù)關(guān)聯(lián)基因來自普雷沃氏菌（58個生長相關(guān)、165個遲緩相關(guān)）。

最后作者分析了前噬菌體整合實踐與營養(yǎng)不良的關(guān)聯(lián)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噬菌體的整合并非隨機事件，而是與宿主的生理狀態(tài)息息相關(guān)。

前噬菌體整合數(shù)量顯示，母乳喂養(yǎng)的兒童比非母乳喂養(yǎng)顯著更高，女性兒童比男性兒童顯著更高，生長良好的兒童比遲緩的兒童更多但不顯著。不過在糞桿菌屬中，噬菌體整合事件在生長良好的兒童體內(nèi)的數(shù)量顯著高于生長遲緩的兒童。

綜上，該研究建立了基于長讀長宏基因組學(xué)的“meta-pangenomics”方法，為微生物組關(guān)聯(lián)研究提供了新標準，解決了傳統(tǒng)短讀長技術(shù)基因組碎片化的問題。同時，該研究揭示了微生物基因組穩(wěn)定性、特定菌屬（如普雷沃氏菌、糞桿菌）及基因?qū)和L的影響，為開發(fā)營養(yǎng)不良的微生物干預(yù)策略（如靶向益生菌）提供靶點。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.08.020

制版人： 十一

參考文獻

1. World Health Organization. (2021). Levels and trends in child malnutrition: UNICEF/WHO/The World Bank Group joint child malnutrition estimates: key findings of the 2021 edition. https://www.who.int/publications/i/item/9789240025257.

2. WHO Multicentre Growth Reference Study Group (2006). Assessment of differences in linear growth among populations in the WHO Multicentre Growth Reference Study.Acta Paediatr. Suppl.450, 56–65. https://doi.org/10.1111/j.1651-2227.2006.tb02376.x.

3. Malawi. (2017) Demographic and Health Survey, 2015–16.

4. Smith, M.I., Yatsunenko, T., Manary, M.J., Trehan, I., Mkakosya, R., Cheng, J., Kau, A.L., Rich, S.S., Concannon, P., Mychaleckyj, J.C., et al. (2013). Gut microbiomes of Malawian twin pairs discordant for kwashiorkor.Science339, 548–554. https://doi.org/10.1126/science.1229000.

5. Kane, A.V., Dinh, D.M., and Ward, H.D. (2015). Childhood malnutrition and the intestinal microbiome.Pediatr. Res.77, 256–262. https://doi.org/10.1038/pr.2014.179.

6. Subramanian, S., Huq, S., Yatsunenko, T., Haque, R., Mahfuz, M., Alam, M.A., Benezra, A., DeStefano, J., Meier, M.F., Muegge, B.D., et al. (2014). Persistent gut microbiota immaturity in malnourished Bangladeshi children.Nature510, 417–421. https://doi.org/10.1038/nature13421.

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