Cell｜长读长测序发挥威力！揭秘儿童肠菌与生长发育的关系

撰文｜617

生命早期营养不良可能导致不可逆的认知和发育损伤。然而，全球5岁以下儿童中，有近5亿（22%）存在因缺乏营养引发的发育迟缓问题，4540万（6.7%）存在消瘦问题【1】。比较全球不同地区与国家，东南亚和撒哈拉以南的非洲营养不良水平最高，其中马拉维共和国的发育迟缓问题尤为突出，发生率高达37%【2-3】。

之前的研究表明，肠道微生物失衡在儿童营养不良中发挥重要作用【4-6】。然而，传统短读长宏基因组学方法难以获得完整微生物基因组，无法精准解析肠道微生物与儿童线性生长的关联。

2025年9月9日，索尔克研究所Todd P. Michael、Jeremiah J. Minich团队，圣路易斯华盛顿大学Mark J. Manary和加州大学圣地亚哥分校Rob Knight共同在Cell杂志上发表了题为Culture-independent meta-pangenomics enabled by long-read metagenomics reveals associations with pediatric undernutrition的文章。该研究利用长读长测序技术及纵向采样方案，深入分析了马拉维儿童的肠道微生物组，发现肠道微生物组的组成和稳定性与儿童线性生长关联密切，为儿童营养不良的微生物组研究建立新标准。

目前的宏基因组研究主要使用短 读长测序技术，获得的测序read读长大约在150-300个碱基。尽管短读长测序成本低，但是数以亿计的短reads给组装完整的微生物基因组（cMAG）带来了巨大的挑战。这就好比拼拼图，同样一张图，拼图数目越多，难度就越大。

而长读长测序技术尽管测序成本较高，但是其测得的read读长（如PacBio的HiFi reads读长平均在10-15kb）远大于短读长测序技术，大大便利了组装cMAG。

因此，为深入探究肠道微生物组，作者决定采用长读长测序技术的方法。目前长读长测序技术主要由PacBio（PB）、Oxford Nanopore Technologie（ONT）以及Illumina（ ILMN）三家公司提供。

作者在一项于马维拉开展的纵向采样儿童生长临床试验（选取队列中的8名儿童，纵向采样11个月，共47份样本）中对上述长读长测序方法进行了测试。

结果显示，PB和ONT的cMAGs/Gbp产量比ILMN高44-64倍。

PB（搭配metaMDGB组装）表现最优，从47份样本中共组装出986个cMAGs（839个环形），涵盖363个物种（74个潜在新物种），且cMAGs完整性（＞90%）和准确性显著高于ONT。不仅如此，PB生成单个cMAG的成本（16美元）还远低于ONT（25美元）和ILMN（95-2370美元）。

随后，作者将获得的986个cMAG整合到微生物基因组数据库GTDB R220中，以构建更完善的新参考数据库。

加入986个cMAG的新参考数据库大幅降低了未知序列的比例（unclassified fraction）：用于生成cMAG的样本中未知序列占比从52.3%降至16.5%，未用于cMAG构建的样本未知序列占比从53.2%降至32.4%。

此外，多样性分析结果显示，单时间点仅能捕获36%的微生物多样性，凸显纵向采样的必要性。

随后作者拓展样本集，在8名参与者样本的基础上，进一步纳入39名参与者5个时间点的长读长测序数据（浅测序）。

作者通过年龄别身高Z评分（LAZ）判断儿童身高是否符合其年龄对应的标准生长水平。LAZ是评估儿童线性生长状况的核心指标，通过比较儿童身高与同年龄、同性别群体的平均值，计算标准差（Z值）来判断其发育状况。

微生物基因组稳定性分析结果显示，LAZ下降（生长迟缓）的儿童，其肠道微生物基因组ANI差异更大（即稳定性更低）；进一步的分析显示，一种在所有儿童中持续存在的物种Dialister sp000434475，其基因组在LAZ下降儿童中稳定性更低。

上述结果表明，生长良好儿童的微生物基因组更稳定，而生长迟滞儿童的微生物基因组更不稳定。

对10个最丰富的微生物属的泛基因组分析结果显示，普雷沃氏菌属（Prevotella）、粪杆菌属（Faecalibacterium）、巨球型菌属（Megasphaera）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）的基因含量与线性生长、母乳喂养显著相关。

接着作者对上述4个关键属进行了微生物全基因组关联研究（mGWAS）。结果发现89个基因与良好线性生长相关（如双歧杆菌的gloB基因、粪杆菌的27个基因），169个基因与发育迟缓相关；多数关联基因来自普雷沃氏菌（58个生长相关、165个迟缓相关）。

最后作者分析了前噬菌体整合实践与营养不良的关联。结果发现，噬菌体的整合并非随机事件，而是与宿主的生理状态息息相关。

前噬菌体整合数量显示，母乳喂养的儿童比非母乳喂养显著更高，女性儿童比男性儿童显著更高，生长良好的儿童比迟缓的儿童更多但不显著。不过在粪杆菌属中，噬菌体整合事件在生长良好的儿童体内的数量显著高于生长迟缓的儿童。

综上，该研究建立了基于长读长宏基因组学的“meta-pangenomics”方法，为微生物组关联研究提供了新标准，解决了传统短读长技术基因组碎片化的问题。同时，该研究揭示了微生物基因组稳定性、特定菌属（如普雷沃氏菌、粪杆菌）及基因对儿童生长的影响，为开发营养不良的微生物干预策略（如靶向益生菌）提供靶点。

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

制版人： 十一

参考文献

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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