摘要：人类肠道中栖息着数以万亿计的微生物，这些微生物在人类健康和疾病中扮演着至关重要的角色。尽管人们对肠道微生物的物种和功能组成的理解正在迅速加深，但目前的研究主要基于分类学特征或基因丰度测量，而对有关肠道菌群的物种功能异质性和动态活动的了解仍然有限，且在阐明菌种与

学术部生物通

2025年05月13日 12:41广东

人类肠道中栖息着数以万亿计的微生物，这些微生物在人类健康和疾病中扮演着至关重要的角色。尽管人们对肠道微生物的物种和功能组成的理解正在迅速加深，但目前的研究主要基于分类学特征或基因丰度测量，而对有关肠道菌群的物种功能异质性和动态活动的了解仍然有限，且在阐明菌种与功能活性之间的关系面临挑战。

近日，来自浙江大学良渚实验室、浙江大学医学院附属第一医院等单位的科研团队在知名学术期刊iMeta(IF 23.7)上发表题为《Single-microbe RNA sequencing uncovers unexplored specialized metabolic functions of keystone species in the human gut》的学术论文[1]。研究通过VITA微生物单细胞转录组平台构建三种不同肠型健康供体的肠道菌群转录组图谱，揭示肠道微生物在物种功能上的异质性以及昼夜节律对肠道菌群活动的影响。研究结果不仅为理解肠道菌群的复杂性提供新的视角，还为开发基于肠道菌群的精准医疗策略提供潜在的靶点。

实验设计

该研究针对不同肠型特征，构建以核心指示菌群为中心的微生物共现网络。其中ET-P肠型以普雷沃氏菌属（Prevotella）为主导；ET-B肠型以拟杆菌属（Bacteroides）为主导；而ET-F肠型以厚壁菌门（Firmicutes）为主导。其中，来自ET-F供体的优势菌种为属于厚壁菌门的单形巨单胞菌（Megamonas funiformis）。该菌属在欧美人群中从未被报道为优势菌属，但在中国和日本人群中普遍被检出，提示单形巨单胞菌可能是亚洲人群特征菌属。虽然已有证据表明单形巨单胞菌与健康密切相关，但其在肠道微生物组中的具体功能机制尚不明确。为揭示肠道微生物组的昼夜动态变化，研究选择三位具有代表性肠型的健康捐赠者，并于一天内的三个时间点（早晨、中午、晚上）分别收集粪便样本（图1A）。通过单细菌转录组测序，成功捕获超100,000个肠道微生物，保留其中38,922个高质量数据，每位供体中检测到的基因中位数超过100个，在所有样本中共检测到2,660个基因（图1B）。深入的数据分析揭示人类肠道菌群的物种-功能异质性以及时序的动态活动（图1C-D），并通过进一步实验验证肠道菌群关键物种单形巨单胞菌的代谢功能（图1E）。

图1. 实验设计示意图

主要研究结果

1.单细菌转录组图谱揭示肠道菌群物种特异性功能特征

研究者采用单细菌转录组测序于三位供体的肠道菌群中共鉴定到198个物种，选择其中30个核心物种进行深入功能分析。单细菌物种聚类注释结果显示单形巨单胞菌、粪便普雷沃菌（P. copri）、多雷氏拟杆菌（B.dorei）是其中最丰富的物种（图2A-B）。可见单细菌转录组测序可有效捕捉单个细菌的转录变化，从而区分肠道菌群中的物种水平差异。

研究通过物种特异性的标记基因，进一步分析各菌种的功能特征，共鉴定到220个功能标记基因，其中与碳水化合物代谢相关的功能基因多达101个（45.9%），揭示肠道菌群物种间碳代谢的功能异质性（图2C-D）。肠道菌群的单细菌转录组图谱阐明物种特异性的功能特征，并有助于揭示人类肠道菌群中的特殊功能物种。

图2. 人肠道菌群的单细菌转录图谱揭示物种特异性功能特征

2.肠道菌群与短链脂肪酸相关中心碳代谢的的功能冗余与互补性

基于肠道菌群物种间碳代谢相关通路基因的显著差异，该研究对肠道菌群与短链脂肪酸（SCFAs）相关的中心碳代谢的功能冗余与互补性进行深入分析（图3A）。结果显示，ET-P供体的普雷沃氏菌属在淀粉和蔗糖代谢基因表达量达到峰值，ET-B和ET-F供体的拟杆菌属则在木聚糖代谢上更加显著（图3B）。而糖酵解相关基因在ET-P和ET-B供体的优势菌种中表达最高（图3C）。此外，磷酸戊糖途径（PPP）和三羧酸循环（TCA）中的相关基因在不同供体中由不同物种高度表达（图3D-E）。这些结果共同揭示肠道菌群中不同菌种在中心碳代谢中的冗余与互补性。

图3. SCFAs相关中心碳代谢的功能冗余和互补性

3.肠道菌群代谢功能的协同性与异质性

同时，该研究对各菌种进行单细菌代谢基因富集分析（图4A），开发微生物-代谢分析流程MIC-Metabolism（图4B），发现不同供体肠道微环境对肠道微生物代谢活性的影响存在显著差异。在ET-P供体中，普雷沃氏菌属和单形巨单胞菌在糖酵解和丙酮酸代谢途径中活性较高；在ET-F供体中，单形巨单胞菌在多个代谢途径中表现出峰值活性，而多雷氏拟杆菌则在丙酸代谢中活性最高；在ET-B供体中，多雷氏拟杆菌在丙酸代谢途径中活性最强。（图4A-F）。此外，该研究还针对多雷氏拟杆菌和单形巨单胞菌在不同肠型中的代谢功能进行比较，显示同一物种在不同供体中的代谢能力具有异质性，尤其在糖酵解、丙酮酸代谢、TCA循环等途径的活性表现上有所差异（图4G-H）。

图4. 人体肠道中单个微生物代谢功能的异质性和协同性

4.肠道菌群的昼夜动态变化与亚群功能异质性

研究者分别采集三位健康供体一天内三个时间点的粪便样本，在单细菌分辨率层面展开深入分析，探究人类肠道菌群的昼夜动态变化，发现三位供体的肠道菌群转录水平在一天内存在显著差异（图5A）。在三位供体中鉴定得到的时间特异性基因在物种特异性标记基因中显著富集，且大多与碳水化合物代谢和氨基酸代谢相关（图5B-C）。

此外，研究通过MIC-metabolism评估各个物种代谢途径的昼夜动态，发现人类肠道菌群中的不同物种（例如单形巨单胞菌）在不同时间点的代谢活性表现出显著的动态变化（图5D），这可能是菌群对食物摄入或宿主生理变化的响应。进一步地，研究对ET-B和ET-P供体中的优势种多雷氏拟杆菌和粪便普雷沃菌进行亚群聚类分析，并比较各个亚群的代谢活性，发现肠道菌群的昼夜动态活动与亚群功能异质性有关（图5F-G）。

图5. 单细胞转录组测序揭示人类肠道菌群的昼夜动态变化

5.关键物种单形巨单胞菌的状态转变与功能验证

单形巨单胞菌是亚洲人群肠道微生物中的优势物种，然而该菌在复杂微生物群落中的代谢和功能尚未明确。研究将来自不同供体的单形巨单胞菌一起进行聚类和功能分析，共得到7个亚群。其中0、2和6号亚群主要来自ET-F供体，1、3和5号亚群主要来自ET-P供体，而4号亚群来自两个供体（图6A）。研究通过标志物基因鉴定和代谢能力评估，进一步揭示不同供体来源的单形巨单胞菌亚群存在着代谢功能异质性（图6B-E）。同时，拟时序分析展示单形巨单胞菌细胞从未分化细胞到多功能细胞和应激细胞状态的动态转变（图6F）。这一转变过程涉及269个基因的表达变化，糖原生物合成途径在其中起到重要作用（图6G-H）。

图6. 功能轨迹分析揭示单形巨单胞菌的状态转变

6.单形巨单胞菌通过降解植酸提升矿物质的吸收效率

为进一步探究单形巨单胞菌在应激基因和肌醇相关基因高表达的相关机制，探究者通过设计并完成一系列体外实验，证明与添加肌醇的实验组相比，单形巨单胞菌在植酸存在的环境中生长更为迅速，能够有效降解植酸，产生乙酸和丙酸（图7A-D）。体内动物实验进一步证实单形巨单胞菌可通过降解植酸来提高矿物质的吸收效率（图7F-G），具有作为益生菌改善矿物质吸收的潜力（图7J）。

图7. 单形巨单胞菌通过外源植酸降解促进矿物质吸收

总结

研究通过单细菌转录组技术，在单细菌分辨率水平上探索人类肠道菌群中物种功能异质性和动态活动，识别不同肠道菌种在代谢功能上的冗余和互补性，揭示肠道菌群状态转化异质性，以及昼夜节律对菌群活动的影响。同时，单细菌测序还捕捉到肠道菌群中关键物种单形巨单胞菌在不同肠道生态系统中的细胞状态转变，为其在植酸降解和矿物质吸收中的功能提供了新的见解。

图8. VITA GutMicrobiome肠道菌群单细菌转录组产品

该论文使用的相关产品VITApilote®高通量肠道菌群单细菌转录组试剂盒可对复杂的肠道微生物组样本（特别是粪便样本）展开高分辨率的单细菌转录组分析，为研究人员提供了深入研究肠道微生物异质性的机会。通过该产品捕获的肠道菌群转录活性差异，研究人员有望鉴定出具有特殊代谢功能的关键菌种，并为开发精准微生物组诊断和治疗策略提供重要参考。自该产品问世以来，凭借创新性的数据发现和高质量的检测数据，为众多科研人员带来更广阔的科研应用前景，成为推动生命科学领域不断创新的强大动力。

参考文献

1. Yifei, Shen et al. “Single-microbe RNA sequencing uncovers unexplored specialized metabolic functions of keystone species in the human gut” iMeta, e70035 (2025).

来源：营养和医学