Cell Host Microbe | 肠道微生物×基因双视角预测早产！西湖大学郑钜圣等超5千孕妇队列研究为早产预测提供标志物

粪便、血液

宏基因测序、16S rRNA测序、ASA芯片、代谢组

对THSBC队列（4286例）粪便进行宏基因组和16S rRNA测序，血液进行基因分型和代谢检测，并设计调查问卷，并将WeBirth队列（1027例）设置为验证队列。

THSBC队列中，以妊娠期、产妇年龄、胎次、收集粪便时的妊娠周数和胎儿性别为协变量。发现11属1种与早产显著相关，6属1种与妊娠期相关。在种水平上，C. innocuum与早产风险表现出最强的正相关。且在WeBirth队列中，C. innocuum也与早产呈正相关。

建立MRS，在多基因风险框架下，采用修剪和阈值（P + T）方法，利用在THSBC队列识别与早产相关的特征微生物分类群。分析显示，在THSBC和WeBirth队列中，早产妇女的MRS明显更高。使用属水平数据构建的MRS每Z评分的比值比（OR）分别为2.65，而在种水平MRS中，比值比分别为1.71和1.64。6个属和4个种被纳入属级MRS构建。

在THSBC队列中进行妊娠期和早产的全基因组关联研究（GWAS）。发现一个与妊娠期相关的基因座和六个与早产相关的基因座。其中，SAMM50与妊娠期和早产都有关联。妊娠期和早产的基因组膨胀因子均较低，且连锁不平衡（LD）得分回归截断值低于基因组膨胀。对一个亚组（自发性早产与足月分娩）进行了敏感性分析，其结果相似。整合三个独立队列东亚女性的数据，尽管TNRC18与早产和SAMM50与妊娠持续时间的关联达到了显著性，但这些鉴定的位点在这些外部队列中都没有显示出全基因组显著性阈值的强重复性。

cis-eQTL共定位分析显示早产相关snp与GSTM1和GSTM5基因在血液、iPSCs、子宫内膜、子宫、卵巢和阴道中的表达共定位。GSTM1基因上的几个snp与性激素有关，这与分娩时间有因果关系。在WeBirth队列中建立早产的PRS。早产的PRS与早产显著相关，并且该PRS还与妊娠持续时间相关。使用逻辑回归构建模型，与常规危险因素相比，添加物种水平MRS显著提高了预测性能，而添加PRS没有显著提高。结合常规危险因素、PRS和物种水平MRS的模型AUC最高。在属级MRS中也得到了类似的结果。

使用双机器学习（DML）预测PRS对早产儿的个体化治疗效果，并对年龄、胎次和胎儿性别进行了调整。分析显示，随着MRS的增加，PRS的ITE增强，表明潜在的相互作用效应。在THSBC和WeBirth队列中，高MRS孕妇的PRS和妊娠持续时间之间的关联比低MRS孕妇更强。基于森林的DML算法计算每个微生物特征的平均绝对Shapley加性解释（SHAPs）值，大多数已确定的微生物特征已被发现与早产直接相关。以及在THSBC队列中发现Phascolarctobacterium和C. innocuum携带者的PRS与妊娠持续时间呈负相关，而非携带者的PRS与妊娠持续时间呈负相关。在WeBirth队列女性中，PRS和C. innocuum携带量与妊娠期之间存在显著的相互作用。这些发现提供了证据，表明总体上的MRS，以及无毒梭菌，可以改变基因对早产的影响。

在THSBC队列中研究C. innocuum与血清性激素及其衍生物之间的横断面关联发现，C. innocuum的相对丰度与2-甲氧基酮和硫酸睾酮呈负相关。在THSBC队列（n=613）中血液代谢组学数据发现C. innocuum与妊娠期2-甲氧基酮水平升高呈负相关。根据2-甲氧基雌酮生物学功能假设C. innocuum可能会在其重吸收之前直接降解这一关键前体，从而减少循环中的生物活性激素及其代谢物，以17β-雌二醇为底物进行了体外实验。与对照相比，24h后，C. innocuum组17β-雌二醇浓度显著降低。在补充17β-雌二醇的条件下，C. innocuum的生长速度没有受到影响，证实了C. innocuum对17β-雌二醇的降解能力。以及在C. innocuum处理的样品中，雌酮水平升高。

为了进一步探讨C. innocuum对17β-雌二醇的影响，将C. innocuum灌给SPF雌性小鼠。在未怀孕基线、胚胎期E 4.5、E11.5和E18.5四个生理阶段测量雌性小鼠血清17β-雌二醇和孕酮水平。注射无毒梭菌的小鼠在所有时间点上都表现出17β-雌二醇和黄体酮水平的显著降低，体重不受微生物定植的影响。

THSBC队列宏基因组MAG数据，预测其蛋白质表明，C. innocuum可能参与宿主类固醇激素代谢。共检测到6个可能具有类固醇激素代谢分子功能的编码蛋白。其中，由K141_29441_57基因编码的蛋白K141_29441_57序列的类固醇脱氢酶活性置信度最高。进一步的同源性、结构和对接分析支持C. innocuum将17β-雌二醇转化为雌酮的潜在酶能力。第一候选蛋白K141_29441_57借助BLAST、AlphaFold2、ChimeraX比对分析，显示K141_29441_57与17β-HSD具有高度的同源性和结构相似性，其中丝胞菌17β-HSD结构相似性最高。此外，利用DiffDock与17β-雌二醇进行分子对接，对接结果显示，两种蛋白均能与17β-雌二醇结合，且对接得分较高，且结合模式一致。

为了验证基因k141_29441_57是否能表达一种能将17β-雌二醇转化为雌酮的酶，在大肠杆菌中表达该基因，发现17β-雌二醇水平显著降低。重要的是，雌酮仅在k141_29441_57表达系统中检测到，而不是在对照菌株中检测到。这些结果为k141_29441_57编码一种负责17β-雌二醇降解的酶提供了直接证据。

进一步量化基因k141_29441_57的丰度。有趣的是，k141_29441_57丰度与妊娠期2-甲氧基酮水平升高呈负相关。此外，其与早产的关系显示，k141_29441_57丰度的Z评分每增加一次，早产风险就增加31%。

研究表明，C. innocuum可能是预防早产的可行微生物靶点。因此评估一系列孕前暴露，包括5个人口统计学因素、4个生活方式因素和孕前BMI。在妊娠早期，纳入8个生活方式因素、7个人体测量指标和3个心理健康因素。

结果表明，妊娠早期PSQI得分与C. innocuum水平越高相关。以及C. innocuum在孕前阴道炎患者中显著富集。这些发现将C. innocuum与可改变的因素联系起来，包括睡眠质量差、阴道炎和性激素水平不足，强调需要进一步研究这些可改变因素、肠道微生物群和性激素代谢之间的复杂关系，以及它们对早产风险的潜在贡献。

文章对来自两个独立队列的5313名中国孕妇的母体肠道微生物群进行了表征，并鉴定出与妊娠早期早产相关的11属和1种。由选定的微生物属或种生成的微生物风险评分（MRSs）可以有效地隔离妊娠期较短和早产风险较高的孕妇。MRS与宿主多基因易感性相互作用，增加早产风险。在构成MRS的细菌中，C. innocuum表现出最有希望复制早产的微生物特征。C. innocuum表现出17β-雌二醇降解活性，通过功能预测和大肠杆菌的异源表达证实，在早产妇女中富集了雌二醇降解基因k141_29441_57。这些发现为针对微生物组的预测和治疗策略开辟了新的途径，以减轻不良妊娠结局。