摘要：微生物全基因组关联研究（GWAS）已揭示了大量与肠道菌群相关的宿主遗传变异。然而，目前仍不清楚宿主遗传、肠道微生物组以及特定细胞环境之间的具体联系。为此，作者开发了一种计算框架——scBPS（单细胞细菌多基因评分），整合了现有的微生物GWAS数据及24个人体器

整合微生物全基因组关联分析与单细胞转录组学，揭示了宿主细胞群体与肠道微生物组之间的关联

Integrating microbial GWAS and single-cell transcriptomics reveals associations between host cell populations and the gut microbiome

作者：Jingjing Li等

期刊：Nature Microbiology

影响因子：19.4

时间：2025年4月7日

组学：GWAS、单细胞转录组

DOI：https://doi.org/10.1038/s41564-025-01978-w

实验流程图

摘要

微生物全基因组关联研究（GWAS）已揭示了大量与肠道菌群相关的宿主遗传变异。然而，目前仍不清楚宿主遗传、肠道微生物组以及特定细胞环境之间的具体联系。为此，作者开发了一种计算框架——scBPS（单细胞细菌多基因评分），整合了现有的微生物GWAS数据及24个人体器官（包括肝脏、胰腺、肺和肠道等）的单细胞RNA测序图谱，以鉴定与肠道微生物密切相关的宿主组织和细胞类型。通过对207种微生物分类群和254种宿主细胞类型的分析，scBPS推断出的细胞富集模式进一步验证了已知的生物学现象，例如肠道微生物与消化组织模块、肝上皮细胞区室之间的重要交流。此外，scBPS还首次揭示了柯林斯菌（Collinsella）与中央静脉肝细胞亚群之间的显著关联。

为进一步验证这一发现，作者通过小鼠肝脏组织的单核RNA测序，实验性地证实了柯林斯菌对胆固醇代谢的因果影响，并鉴定了相关细胞亚群。从机制上讲，口服柯林斯菌可调节中央静脉肝细胞中胆固醇代谢相关基因的表达。同时，作者还利用独立的微生物GWAS数据，结合单细胞和批量转录组分析，进一步验证了该方法的稳健性和可重复性。综上所述，scBPS为系统解析宿主-微生物互作提供了有效工具，能够将特定细胞群体与其对应的肠道微生物相互作用精准定位。

主要结果

1、scBPS的工作流程

本研究开发了计算框架scBPS，通过整合来自荷兰的微生物组项目207种肠道微生物的GWAS数据（MAGMA预处理生成微生物-基因z分数并筛选前1,000相关基因）与Tabula Sapiens单细胞转录图谱，构建标准化BPS指标以量化微生物与宿主细胞的关联强度。该框架采用个体细胞评分算法加权聚合基因表达量（调整技术噪声），结合BPS-AUC曲线分析及蒙特卡洛P值评估统计显著性，输出包含单细胞BPS值、AUC分数及经验P值。通过空模拟和因果模拟验证，scBPS在识别微生物-细胞类型关联方面优于scDRS，且在不同GWAS样本量（含低效能研究）中均表现出稳健性能，证实其适用于中等样本量的肠道微生物组研究。

图1 肠道微生物组与宿主组织的关联

2、人体组织与肠道微生物组的关联

利用scBPS框架，研究分析了肠道微生物组与单细胞图谱中24种组织的关联，通过计算BPSAUC值识别出三类细菌群落（T1：拟杆菌目、梭菌目、伯克霍尔德菌目；T2：放线菌目；T3：双歧杆菌目、考里杆菌目、红球菌目）和四个组织共调控模块（M1：消化系统，包括肝脏、胰腺、小肠和大肠；M2：视觉及呼吸器官，如眼睛、肺和气管；M3：肌肉系统；M4：免疫系统）。其中，消化模块M1与肠道微生物关联最显著，与T1和T3高度相关，且乳酸杆菌和柯林斯菌在M1中表现突出；基于FDR0.119的标准，筛选出193对可信微生物-组织配对，肝脏、肾脏和胰腺关联较多，如柯林斯菌、乳酸杆菌与肝脏代谢和胰腺功能相关。验证部分使用LDSC-SEG分析GTEx和Franke实验室数据，显示单细胞图谱结果与批量转录组（GTEx重叠56%，Franke重叠60.7%）显著正相关，并通过MiBioGen GWAS和Lifelines项目进一步确认相关性，证实scBPS能有效识别生物学意义的微生物-组织关联，并突显肝脏在肠道微生物相互作用中的核心作用。

3、人类细胞类型与肠道微生物组的关联

基于细胞类型层面的scBPS分析，研究揭示了肠道微生物与24个组织中254种细胞类型的关联。通过无监督聚类识别出五大功能区域：免疫区（分淋巴CM1与髓系CM2）、内皮区（CM3）、上皮区（CM4）和基质区（CM5）。其中207个微生物分类群被划分为9个细菌功能聚类（C1-C9），并与组织相关群落（T1-T3）存在谱系关联（如C2、C3、C5、C6源自T1）。分析显示：上皮模块CM4的中位BPSAUC值最高，尤其肝脏上皮细胞表现出最强的微生物关联。关键发现包括：

(1)肝细胞与C6聚类显著相关，其核心菌属（柯林斯菌、乳酸杆菌）与组织水平结果一致

(2)肺纤毛细胞与C1聚类关联，双歧杆菌为核心调控菌

(3)根据严格、中等、宽松标准分别鉴定出187、1,481和1,282对微生物-细胞关联上皮细胞在所有标准下均显示最显著关联，而肝细胞的关联比例最高，印证了其在肠-肝轴代谢调控中的核心作用。GWAS数据集验证了细胞类型关联的可靠性。

图2肠道微生物与细胞类型的关系

4、科林塞拉属与肝细胞呈现显著相关性

研究进一步探讨了肠道微生物组与肝细胞的联系，基于关联性将相关分类群分为三组：严格组（44个，FDR0.5）、中等组（108个，FDR

图3柯林斯菌与肝细胞表现出稳健的相关性

5、中心肝细胞在与柯林斯菌的交流中发挥着关键作用

基于柯林斯菌在肝细胞中的高BPS评分，研究通过KEGG数据库的基因集富集分析（GSEA）发现其显著关联胆固醇和胆汁酸代谢通路，且胆固醇生物合成及代谢通路活性与柯林斯菌BPS呈正相关。进一步将肝细胞按门脉-中央轴划分为门周区、中带区和中央区后，发现柯林斯菌BPS与中央区及中带区肝细胞关联更强。中央区肝细胞特异性上调胆固醇7α-羟化酶（CYP7A1）等关键基因，其胆固醇合成（乙酰-CoA→焦磷酸法尼酯-PP）和初级胆汁酸合成（胆固醇→鹅去氧胆酸）的代谢流显著增强，且胆固醇→鹅去氧胆酸的代谢流水平与柯林斯菌BPS呈显著正相关，该现象在中央区亚群中尤为突出。这些结果揭示了中央区肝细胞通过增强胆固醇代谢与柯林斯菌形成特异性互作，为代谢疾病中的菌群-宿主互作机制提供了新见解。

图4异质性的肝细胞亚群与柯林斯菌相互交互

6、科林氏菌在胆固醇相关性肝病与肝细胞相互作用中的作用

为了深入探讨柯林斯菌-肝细胞关联在肝脏疾病中的意义，通过整合人类单细胞图谱与10种肝脏相关疾病的GWAS数据，利用scBPS框架揭示了柯林斯菌与高胆固醇血症（HYPERCHOL）及家族性高胆固醇血症（FH）的强关联性。分析显示，肝脏组织及肝细胞与HYPERCHOL、FH的疾病多基因评分（DPS）显著相关，其中柯林斯菌的BPS值与这两种疾病的DPS呈显著正相关（P

图5肝细胞中的胆固醇代谢介导的柯林斯菌与高胆固醇血症之间的关联

7、在小鼠体内验证解淀粉芽孢杆菌对胆固醇及肝细胞代谢的影响

为了探讨柯林斯菌对胆固醇代谢的直接作用，通过C57BL/6小鼠模型探讨柯林斯菌对胆固醇代谢的直接影响，发现经口灌胃气生柯林斯菌（C.aero组，n=9）4周后，血清胆固醇水平显著升高，肝脏CYP7A1和HMGCR基因及蛋白表达均上调，免疫组化显示中央静脉周围肝细胞中两基因表达增强。单核RNA测序（snRNA-seq）分析显示，C.aero组肝脏单核转录组图谱中77.08%为肝细胞，其分区亚群（门周型、中区型、中央型）的基因表达谱存在显著差异。与对照组相比，C.aero组胆固醇生物合成通路相关基因（如CYP7A1、HMGCR）在中央区肝细胞中上调超两倍，且该区域胆固醇合成通量显著增强。这些结果表明，柯林斯菌通过特异性激活中央区肝细胞的胆固醇合成通路，驱动宿主胆固醇代谢紊乱，为肠道菌群调控宿主代谢的细胞特异性机制提供了直接证据。

图6C.aero对体内胆固醇代谢的影响

讨论

本研究开发了scBPS计算框架，通过整合微生物全基因组关联研究（GWAS）与24种人体器官的单细胞转录组数据，系统解析了肠道微生物与宿主细胞类型的关联特征。研究发现，柯林斯菌（Collinsella）与肝脏中央静脉肝细胞存在显著关联，其通过调控胆固醇合成（如HMGCR）和胆汁酸代谢（如CYP7A1）通路影响宿主胆固醇水平，并在小鼠模型中验证了该菌对血清胆固醇的调控作用。scBPS框架通过单细胞水平的遗传信号映射和BPSAUC评分，突破了传统方法在低遗传力性状分析中的局限性，揭示了微生物-宿主互作的细胞特异性机制。尽管存在细胞类型覆盖范围有限等局限，该研究为代谢疾病中菌群-宿主互作机制提供了新视角，并推动个性化干预策略的开发。

来源：健康采集市