PNAS：微生物组分析揭示人类皮肤的独特性

表1. 人类和非人类动物皮肤菌群的指示种分析

人的皮肤微生物组显著不同于除一些被驯化的食肉目宠物以外的其它非人类哺乳动物（图1）。此外，从多样性来看，人类皮肤的微生物组多样性也显著低于其它哺乳动物，这可以从已明确的OTU数量、香农指数等参数看出来（图2）。这与之前基于五种灵长动物的研究结果一致。而袋鼠目、翼手目、啮齿目和非人类灵长动物皮肤微生物组成则非常相似，在图中混合在一起。随后的多元置换方差分析则显示宿主是否为人是决定微生物组落组成最关键的影响因子。因为人类近期才从非灵长类动物分化出来，演化历史较短（如：猩猩已有12 – 15百万年的演化历史，而狒狒则有21 – 25百万年的演化历史），这些研究结果表明现代人的活动，如大量时间地停留在室内、频繁洗澡、穿衣等都可能影响皮肤微生物组的多样性和组成。非人类哺乳动物部分较高的多样性可能归因于旅居类微生物组的增加。而之前对与世隔绝的印第安人的研究则发现生活方式的改变，如生活在户外，会有较高的皮肤微生物多样性。这进一步支持现代的人类活动可能快速改变皮肤微生物组组成。

图2. 箱线图展示哺乳动物10目和人类皮肤微生物组的OTU数量和Shannon指数差异

目级分类地位和宿主地理分布影响哺乳动物皮肤微生物组

使用多元置换方差分析检验哺乳动物的分类地位、身体部位和地理分布对皮肤微生物组的影响作用，结果发现哺乳动物的目级分类地位是影响最大的因子，其次是地理分布（图3）。同样，研究者们也使用随机森林分析来检验内在因子和外在因子在影响菌群组成上的作用。同样，目级水平分类的正确率远远高于科、属和种级水平。

图4. 基于FAPROTAX数据库预测菌群的功能。*表示人类和非人类具有显著的差异。

有很多预测的功能在人类和其它动物之间存在显著的差异（图4）。与较低的多样性一致，人类皮肤菌群也具有较少的预测功能。而其它动物的菌群有较多的功能，这也可能因为它们拥有更多来源于土壤的菌群。预测发现人类皮肤菌群具有较高的对锰氧化的功能。人类汗液锰的浓度平均为100 ppb，这样人类每天平均分泌200-300 mg锰。预测锰氧化的功能源于人类皮肤菌群核心OTU种类，P. acnes。相反，其它动物皮肤微生物组的功能预测则与较高的氮循环和单碳化合物降解功能有关。根据FAPROTAX数据库，甲醇氧化与节细菌属（Arthrobacter）中的分类单元有关，而甲基营养化（methylotrophy）与甲基杆菌属（Methylobacterium）中的分类单元有关。氮呼吸与多个生物类群有关，包括副球菌属（Paracoccus）和假单胞菌属（Pseudomonas）。 明白皮肤微生物组是否贡献于氮和锰循环比较重要，因为锰和含氮物质，如一氧化氮的缺乏可能会导致伤口愈合延迟。菌群的代谢物可能也与哺乳动物的衰老有关，因为它们可能改变氧化应激反应。

基于分类的功能预测是阐明皮肤微生物组生化过程如何影响宿主皮肤健康的第一步。肠道微生物组研究取得了许多进展，表明胃肠道内的微生物可以影响消化，并为宿主提供其自身无法合成的维生素和氨基酸，进而通过胃-脑轴影响神经系统的功能。虽然目前尚不清楚皮肤微生物组的生物化学过程如何影响其宿主，但确定哪些过程发生在皮肤上是理解这些微生物功能如何影响皮肤健康的第一步。未来使用宏基因组测序的研究可能有助于确定这些预测的保守微生物功能中哪些是哺乳动物皮肤的核心功能，而哪些是不同宿主物种之间变化的功能。

奇蹄类和偶蹄类明显的系统发育共生现象

系统发育共生可能导致系统发育关系近的动物类群有相似的微生物组。这可以通过Robinson–Foulds 和 matching-cluster 的值来预测，它们比较了两棵系统发育树之间的相关性。 值为0表示两棵树相似，而值为1则表示两棵树不相关。而matching-cluster因为考虑了整个树上的不同支系，因而比Robinson–Foulds 更具统计学的可靠性，因而得出的值在0-1之间有较大的变异范围。先前的研究表明，微生物组落的变化与昆虫体内宿主的进化相匹配，99%的OTU聚类阈值更为明显。本研究采用Bray-Curtis、末权重和权重UniFrac距离方法，基于进行97%和99%阈值的比较。

将宿主动物的系统发育与各宿主物种对应的皮肤微生物组的树状图进行比较表明奇蹄目和偶蹄目动物皮肤微生物组之间的关系与其对应的宿主进化关系显著相关（图5）。使用不同的OTU聚类阈值和距离计算方法均显示奇蹄类具有系统发育共生现象，唯一的例外是来自于驯养马和普尔热瓦尔斯基马的皮肤菌群。马科动物和犀牛科动物之间的分化不能归因于微生物组取样的不同地理位置，比如农场或动物园的栖息地，因为普尔热瓦尔斯基马来自多伦多动物园。偶蹄类的归一化匹配聚类得分0.38，Bray-curtis和UniFrac加权指数均揭示宿主系统发育和微生物树状图显著相关。最大的差异是山羊的菌群基因序列，它们与长颈鹿和驯鹿而不是羊聚在一起。此外，宿主物种并不会根据其来源的地理位置进行聚集。相反，食肉动物并没有展现显著的系统发育共生关系。所有在奇蹄类和偶蹄目取样的动物都是食草动物，以栖息地当地的草为食，而食肉类动物有更多样化的食物。

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来源：刘永鑫Adam