头屑相关头皮微生物组失调与基因组可塑性的多组学分析研究报告

一、主要作者及机构
本研究由Han Yu、Jiayi Li、Yan Wang、Tongze Zhang、Tahir Mehmood及通讯作者Olivier Habimana共同完成，作者团队来自广东以色列理工学院（Guangdong Technion-Israel Institute of Technology）的生物技术与食品工程系，部分成员隶属于以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology）的生物技术与食品工程学院。研究成果于2025年7月4日发表在微生物学领域期刊*Frontiers in Microbiology*（DOI: 10.3389/fmicb.2025.1595030），文章标题为《Dysbiosis and Genomic Plasticity in the Oily Scalp Microbiome: A Multi-Omics Analysis of Dandruff Pathogenesis》。

二、学术背景
科学领域与背景知识
头屑（Dandruff）是一种全球约50%人群受影响的常见头皮疾病，表现为瘙痒、脱屑及社交困扰，与微生物组失调（dysbiosis）和炎症密切相关。传统治疗依赖广谱抗真菌剂（如酮康唑）和抗菌剂（如吡啶硫酮锌），但仅能暂时缓解症状，表明头皮微生态的长期调控机制尚未明确。既往研究认为，马拉色菌（*Malassezia*，尤其是*Malassezia restricta*）是头屑的主要诱因，但近年发现其作用可能被过度简化，头皮微生物组的整体失衡（如葡萄球菌*Staphylococcus*与皮肤杆菌*Cutibacterium*的比例变化）可能更具决定性。

研究目的
本研究旨在通过多组学整合分析（multi-omics），解析健康与头屑头皮微生物组的分类学差异、功能特征及基因组可塑性（genomic plasticity），揭示头屑发病机制中微生物相互作用的复杂性，为靶向微生态的治疗策略提供依据。

三、研究流程与方法
1. 研究对象与样本采集
- 样本量：65名中国受试者（33名女性，32名男性），根据头皮状态分为三组：
- DO组（头屑伴油性头皮，n=21）
- HO组（健康油性头皮，n=22）
- HN组（健康非油性头皮，n=22）
- 排除标准：头皮疾病史（如银屑病）、近1个月使用抗菌药物。
- 采样方法：无菌棉签与梳子结合，每区域梳理5分钟，重复3次，样本保存于DNA/RNA Shield中（-20℃）。

2. DNA提取与扩增子测序
- 细菌16S rRNA（V4区）与真菌ITS1区测序：使用Illumina NovaSeq 6000平台（PE250）。
- 引物设计：细菌（GTGCCAGCMGCCGCGGTAA/GGACTACHVGGGTWTCTAAT）；真菌（CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA/GCTGCGTTCTTCATCGATGC）。
- 数据分析：使用QIIME2（DADA2算法）去噪并生成ASVs（扩增子序列变体），SILVA（细菌）和UNITE（真菌）数据库分类注释。

3. 鸟枪法宏基因组测序（Shotgun Metagenomics）
- 样本选择：每组7例，匹配年龄、性别与地理来源。
- 文库构建：DNA片段化至350 bp，Illumina NovaSeq 6000平台（PE150）。
- 组装与注释：MEGAHIT组装，ORF预测（MetaGeneMark），功能注释通过KEGG、eggNOG、CAZy、VFDB等数据库完成。

4. 生物信息学分析
- α/β多样性分析：Chao1、Shannon指数评估物种丰富度；Bray-Curtis差异度分析群落结构。
- 功能预测：PICRUSt2（基于16S数据）与宏基因组通路分析（KEGG、eggNOG）。
- 基因组可塑性分析：抗性基因（ARGs）通过CARD数据库鉴定；移动遗传元件（MGEs）包括整合子（Integron）、插入序列（IS）和质粒（Plasmid）。

四、主要结果
1. 微生物群落结构差异
- 细菌组成：DO组厚壁菌门（*Firmicutes*，58.85%）显著高于HN/HO组（19.63%/24.22%），尤其是葡萄球菌属（*Staphylococcus*，58.70%）；而健康组以放线菌门（*Actinobacteriota*）为主，皮肤杆菌属（*Cutibacterium*，HN组64.98%）占优势。
- 真菌组成：所有组均以担子菌门（*Basidiomycota*，>98%）为主，马拉色菌属（*Malassezia*）占比无显著差异，但DO组未分类马拉色菌目（*Malasseziales_gen_incertae_sedis*）比例升高（21.10% vs. HN组8.36%）。

2. 功能特征与代谢通路
- 健康组：富集碳水化合物/氨基酸代谢、膜转运功能（如ABC转运蛋白），提示微生态稳态维持能力。
- DO组：DNA修复机制（如转座酶活性）显著增强，反映病原体过度增殖导致的应激状态；抗菌抗性基因（如*vanT*）与移动元件（如整合子*cp012744.1*）丰度升高，表明基因组可塑性增强。

3. 微生物互作网络
- HN组：皮肤杆菌与劳森氏菌（*Lawsonella*）呈负相关，暗示竞争关系。
- DO组：葡萄球菌与假诺卡氏菌（*Pseudonocardia*）正相关（p=0.005），可能协同促进炎症。

五、结论与价值
科学价值
本研究首次通过多组学整合揭示了头屑头皮微生物组的基因组可塑性特征，挑战了“马拉色菌单一病因论”，提出微生态整体失衡（如Staphylococcus/*Cutibacterium*比例失调）与水平基因转移（HGT）驱动的耐药性可能是头屑顽固性的关键机制。

应用价值
为开发靶向微生态的疗法（如益生菌干预或特定抗菌肽）提供了理论依据，超越现有的广谱抗菌策略。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合16S/ITS扩增子测序与鸟枪法宏基因组，实现分类与功能层面的多维解析。
2. 发现创新：首次报道头屑相关微生物组的基因组可塑性特征（如转座酶富集与ARGs传播）。
3. 临床意义：提出“头皮微生态恢复”作为头屑治疗的新靶点，尤其关注*Cutibacterium*的保护作用。

局限性
样本量较小（宏基因组n=7/组），需更大队列验证；功能预测需实验（如代谢组学）进一步验证。

数据可用性
原始数据已上传NCBI（PRJNA1199187）。