《mBio》影响人类皮肤微生物群落的内在和外在因素的新见解

皮肤是将人体与外界环境分开的最大的上皮界面，其表面有细菌、真菌和病毒各种群落定殖。这些共生微生物在脂质代谢，对生物的定植抗性和免疫系统的调节中起关键作用。已有研究表明，微生物群落具有强烈的身体部位特异性以及群落组成和功能潜能的个体化，外在和内在生理条件变化驱动了微生物群落的变化。

拟解决的科学问题


1. 皮肤微生物组群落差异与地理位置、生活方式和宿主生理因素的关联？
2. 皮肤微生物组成与内在和外在因素之间有什么关系？
3. 识别与年龄和皮肤老化相关的特定微生物组特征。

研究设计


1、研究对象
受试者共495名，包括女性（58%）和男性（41%），平均年龄为40岁（9-78岁）。
2、采样部位
（1）四个部位的皮肤样本：①左前臂；②左颊鼻缝；③前额中央；④头皮顶点中线；
（2）口腔样本。
3、研究方法
16S rRNA V4区多样性。
4、研究变量
皮肤表面的pH值、心率方差、皮脂分泌率。

研究结果


1、微生物群落的Alpha多样性

Shannon指数在不同部位有所不同，头皮表现出最低的多样性，而干燥部位前臂指数最高（下图A）。Bray-Curtis距离的NMDS表明，即身体部位是微生物组组成的主要驱动力（下图B）。微生物组组成的个体差异导致不同位点的微生物群落重叠。科水平丰度较高的主要是Staphylococcaceae, Corynebacteriaceae和Streptococcaceae（下图C）。

2、微生物组-宿主因子关联的多变量分析


研究测试了代表七个类别（宿主生理、药物、生活方式、健康、人口统计学、人体测量学和皮肤老化）的39个变量，以确定与微生物群落组成相关的因素。
拟合线性模型分析，以确定哪些变量与每个部位微生物群落变化相关。发现13-25个因素与微生物群落组成相关，共同解释为11%（头皮），14%（前臂），15%（前额），16%（口）和 变化的20%（鼻子）。变量的贡献值不同，并且在不同部位间具有不同的解释度。种族、年龄、身高和色素沉着斑是皮肤部位群落组成的最强预测指标（下图A）。在口腔中，吸烟（由吸烟年数决定）和种族是决定微生物组成的主要宿主因素（下图B）。

如果对所有部位进行平均，则导致微生物组变异的前三个因素为生活方式、生理和人口统计学（下图A）。但是，因素的相对重要性在各个部位之间差异很大。例如，在生活方式的重要性较低的情况下，皮肤衰老的重要性较高，反之亦然（下图B）。

3、OTU-宿主因子关联的识别

文章研究了各个OTU和协变量之间的关联。计算了与每个协变量关联的OTU数量（下图）。总共发现67个属与至少一个部位的至少一个宿主因子相关。通常，关联性最强是衰老、人口统计学和生活方式因素，其中Anaerococcus，Peptoniphilus，Prevotella和Corynebacterium与这些因素关联密切。在额头上，Corynebacterium 与按年龄和皮肤衰老相关，而Propionibacterium与额头卟啉（VAFPAF）相关（下图A）。在口腔中，Prevotella, Treponema, 和Leptotrichia与吸烟和人口统计学（族裔）相关性密切（下图B）。

4、基于前额微生物组的年龄建模分析

随机森林分析探讨年龄与微生物组之间的关系，该模型解释了年龄32%的变异性，并发现两个Corynebacterium在三个相对分类中具有最高的相对重要性（下图A）。有趣的是，根据它们的高度共排斥（下图C），其中一个（OTU10）倾向于在中年取代另一个（OTU3），最常见的是40至49岁（下图B）。OTU3和OTU10在内的大量额头OTU与皱纹或斑点呈正相关或负相关（下图D）。

那么OTU3和OTU10的属水平分类如何呢？文章通过寡聚分析，以解决亚属水平的序列变异。鉴定了31种棒状杆菌寡聚型（下图A）。仅一种寡核苷酸，被鉴定为克氏假单胞菌，具有与OTU10相似的趋势；而只有一种寡核苷酸，未分类到种，与OTU3相似（下图B）。

总结

本文研究表明，皮肤微生物组成主要与人口、生活方式和生理因素有关。此外，我们发现了按时间顺序排列的年龄、皮肤衰老和Corynebacterium（棒状杆菌属）之间的关联。文章对形成皮肤微生物群落时宿主选择和生活方式的理论提供了新的认识，有助于更全面地了解驱动个体皮肤微生物群落变异的因素。



参考文献


New Insights into the Intrinsic and Extrinsic Factors That Shape the Human Skin Microbiome. mBio, 2019.



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