阴道乳酸杆菌菌株水平差异研究：解锁女性健康微生物密码

《npj Biofilms and Microbiomes》：Strain-level variation among vaginal Lactobacillus crispatus and Lactobacillus iners as identified by comparative metagenomics

为探究阴道微生物群落，研究人员分析孕妇阴道宏基因组，揭示多亚种及菌株差异，助力理解阴道生态。

　　在女性健康的微观世界里，阴道微生物群落扮演着至关重要的角色，它就像一座 “小花园”，各种微生物在这里共生共存，维持着微妙的平衡。其中，乳酸杆菌（Lactobacillus）是这座 “花园” 中的优势居民，对维持阴道的健康起着关键作用。它们能产生乳酸，降低阴道 pH 值，就像给 “花园” 营造了一种酸性的保护氛围，阻止有害细菌的入侵，预防细菌性阴道炎（BV）等疾病。

然而，目前对于阴道微生物群落的研究还存在一些问题。以往的研究大多依赖于元分类学方法，这种方法就像是用一把 “大刷子” 来描绘微生物群落，无法精确到菌株水平，难以揭示不同菌株之间的功能差异。而且，虽然知道乳酸杆菌有益，但对于不同乳酸杆菌菌株在阴道环境中的具体作用，以及它们之间的差异，我们了解得还远远不够。

为了深入探索这座神秘的 “花园”，来自爱尔兰 Teagasc 食品研究中心、APC 微生物组爱尔兰中心等多个研究机构的研究人员展开了一项研究。他们的研究成果发表在《npj Biofilms and Microbiomes》上。

研究人员使用了多种技术方法。他们从两个爱尔兰孕妇队列（高危早产队列（PRJEB34536）和 MicrobeMom 队列（PRJEB48251））中收集了 354 个阴道宏基因组样本。通过质量过滤和去除宿主污染后，利用基于非冗余基因数据库 VIRGO 的宏基因组社区状态类型（mgCST）分类器对样本进行分析，重建泛基因组和宏基因组组装基因组（MAGs），还运用了多种软件工具进行基因注释、系统发育分析和菌株水平的基因筛选等。

研究结果如下：

• 宏基因组社区状态类型揭示多个亚种：研究人员通过 mgCST 分类器将宏基因组在亚种分辨率上进行分组，发现数据集中存在 18 种不同的 mgCST。其中，卷曲乳酸杆菌（Lactobacillus crispatus）有 5 个宏基因组亚种，惰性乳酸杆菌（Lactobacillus iners）有 3 个，詹氏乳酸杆菌（Lactobacillus jensenii）有 2 个等。相比之下，传统的社区状态类型（CST）分配方法在物种水平分辨率上只能将阴道宏基因组分为 6 种 CST。此外，研究还发现孕期 mgCST 存在动态变化，部分样本在孕期会发生种内或种间 mgCST 变化，但不同孕期的泛 mgCST 基因含量没有明显差异。
• 泛宏基因组揭示卷曲乳酸杆菌中的黏蛋白结合基因：卷曲乳酸杆菌和惰性乳酸杆菌主导的 mgCST 样本占大多数。重建它们的泛宏基因组后发现，卷曲乳酸杆菌的泛宏基因组包含 5943 个阴道直系同源组（VOGs），惰性乳酸杆菌包含 4184 个 VOGs。卷曲乳酸杆菌所有 mgCST 都含有 D - 和 L - 乳酸脱氢酶编码基因，而惰性乳酸杆菌 mgCST 缺乏 D - 乳酸脱氢酶编码基因。糖原脱支酶基因（pulA）在两者的 mgCST 中都存在，但黏蛋白结合基因（mucBP）仅存在于卷曲乳酸杆菌 mgCST 中。此外，卷曲乳酸杆菌和惰性乳酸杆菌的 mgCST 都有独特基因，功能主要涉及转录、碳水化合物运输和代谢等。
• 辅助基因组塑造卷曲乳酸杆菌和惰性乳酸杆菌的系统发育多样性：研究人员从 354 个宏基因组中重建了 337 个高质量的 MAGs。通过核心基因组系统发育比较发现，卷曲乳酸杆菌有 3 个主要分支，惰性乳酸杆菌有 2 个主要分支，且 mgCST 分类与核心基因组系统发育分支之间没有明显关系。重建辅助基因组系统发育树后发现，核心基因组和辅助基因组系统发育树存在拓扑差异，这表明辅助基因组内容可能在塑造这些物种的系统发育多样性方面发挥作用。
• 阴道卷曲乳酸杆菌的种内遗传多样性大于惰性乳酸杆菌：重建卷曲乳酸杆菌和惰性乳酸杆菌的泛基因组后发现，卷曲乳酸杆菌泛基因组包含 8831 个基因家族，惰性乳酸杆菌包含 3221 个基因家族。卷曲乳酸杆菌核心基因组占泛基因组的 12.5%，云基因组占 61.3%；惰性乳酸杆菌核心基因组占 25.9%，云基因组占 56%。进一步分析发现两者都是开放泛基因组，表明种内遗传多样性高。在功能类别方面，卷曲乳酸杆菌云基因组中与细胞壁生物发生、碳水化合物和氨基酸运输及代谢相关的基因比核心基因组更丰富，而惰性乳酸杆菌在这些功能类别中云基因组和核心基因组的基因数量相似。此外，卷曲乳酸杆菌分支 1 有 16 个独特基因，均编码假设蛋白，惰性乳酸杆菌没有分支特异性基因。
• 宏基因组菌株分析揭示卷曲乳酸杆菌中与宿主 - 微生物界面相关的潜在基因：研究人员发现卷曲乳酸杆菌中有 28 个基因受到正选择，包括转座子、ATP 结合盒转运蛋白等；惰性乳酸杆菌中有 4 个基因受到正选择。一个包含黏蛋白结合蛋白（MucBP）的假定细胞表面聚糖编码基因簇主要存在于卷曲乳酸杆菌中，在惰性乳酸杆菌和阴道加德纳菌（Gardnerella vaginalis）中不存在。而且，样本的微生物群落 α 多样性越低，在卷曲乳酸杆菌和詹氏乳酸杆菌中检测到该基因簇的概率越高。在更广泛的地理范围内分析公开可用的基因组时也得到了类似结果。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了阴道微生物群落中细菌的多个亚种和丰富的基因库，强调了乳酸杆菌菌株多样性在阴道微生物生态中的关键作用。卷曲乳酸杆菌和惰性乳酸杆菌中与细胞壁和防御机制相关的 mgCST 特异性基因，表明不同菌株在阴道环境中可能具有不同功能。黏蛋白结合基因在卷曲乳酸杆菌中的存在，可能对细菌黏附和病原体抵抗有重要意义。此外，研究还发现卷曲乳酸杆菌在宿主 - 微生物界面相关基因上有更高的正选择特征，以及物种特异性细胞表面基因簇的存在，这些都表明了对阴道生态位的进化适应。

不过，目前还需要确定这些基因差异是否会导致菌株表型差异，而且由于研究使用的测序深度可能会遗漏一些微妙的基因组变化，未来需要更高深度的测序和 RNA - seq 实验来进一步探究阴道微生物群成员的功能变化。但无论如何，这项研究强调了菌株水平基因组分析的重要性，也为开发新型益生菌以支持阴道微生物群落健康开辟了新途径。