基于宏基因组学的特应性皮炎肠道菌群特征解析及生物标志物筛选方法与流程

本发明涉及生物医学及生物信息学，具体是基于宏基因组学的特应性皮炎肠道菌群特征解析及生物标志物筛选方法。

背景技术：

1、特应性皮炎（atopic dermatitis, ad）是一种慢性、复发性、炎症性皮肤病，以皮肤干燥、剧烈瘙痒和湿疹样皮损为主要临床表现。近年来，其发病率在全球范围内持续上升，已成为重要的公共卫生问题。虽然ad的诊断标准相对成熟，但其病因学机制复杂，涉及遗传易感性、免疫失调、皮肤屏障功能障碍及环境因素的交互作用。

2、近年来，“肠-皮肤轴”理论的提出为理解ad的系统性发病机制提供了新视角。肠道微生物群作为人体最大的微生态系统，可通过其代谢产物（如短链脂肪酸）和微生物相关分子模式远程调控皮肤的炎症状态和屏障功能。大量研究已证实，ad患者存在显著的肠道菌群失调。然而，现有技术中对于ad肠道菌群的研究主要存在以下缺陷：

3、多数研究依赖于16s rrna基因扩增子测序技术；该技术仅在属或门水平上提供菌群组成信息，难以精确到物种水平，且无法直接、全面地揭示菌群的功能基因潜能，导致对ad相关关键功能菌株的识别能力不足；

4、现有技术对菌群的分析多停留于物种丰度比较，忽略了微生物物种之间复杂的共现、互斥及生态位竞争关系，无法揭示ad状态下肠道微生态系统的整体稳定性及网络拓扑结构变化；

5、传统分析未能将物种组成变化与群落功能潜能的转变有效结合，无法从功能层面深度解读菌群失调对宿主免疫代谢的影响机制。

6、因此，针对以上现状，迫切需要提供基于宏基因组学的特应性皮炎肠道菌群特征解析及生物标志物筛选方法，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于宏基因组学的特应性皮炎肠道菌群特征解析及生物标志物筛选方法，有效解决上述背景技术中的问题。

2、本发明是这样实现的，基于宏基因组学的特应性皮炎肠道菌群特征解析及生物标志物筛选方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：获取受试者粪便样本的宏基因组测序数据；

4、步骤s2：对所述宏基因组测序数据进行组装和基因预测，构建非冗余的初始unigenes，并筛选出最终的unigenes；

5、步骤s3：基于所述最终的unigenes进行物种注释和功能注释，获得微生物物种的丰度信息以及物种和功能通路的丰度；

6、步骤s4：基于所述微生物物种的丰度，构建微生物共生网络，并对微生物共生网络的拓扑性质进行分析；

7、步骤s5：基于所述物种的丰度和功能通路的丰度，筛选特应性皮炎组相较于健康对照组显著差异的差异标志微生物和差异功能通路；

8、步骤s6：将所述差异标志微生物与差异功能通路进行整合，构建用于表征特应性皮炎的组合型生物标志物。

9、作为本发明进一步的方案：步骤s4中所述构建微生物共生网络的方法为：

10、计算两两微生物物种间的spearman相关系数，以spearman相关系数绝对值大于预设阈值，且p值小于预设阈值的相关关系构建无向网络；

11、所述拓扑性质包括选自节点数、边数、平均度、平均路径长度、聚类系数和网络直径中的至少一种。

12、作为本发明进一步的方案：所述预设阈值为spearman相关系数绝对值>0.6，且p值<0.01。

13、作为本发明进一步的方案：步骤s4中还包括对所述微生物共生网络进行zi-pi分析的步骤：

14、计算网络中各节点的模块内连通度zi和模块间连通度pi，并以zi=2.5、pi=0.62为阈值，将节点识别为外围节点、连接节点、模块枢纽节点或网络枢纽节点。

15、作为本发明进一步的方案：步骤s5中采用线性判别分析效应量分析筛选所述差异标志微生物，采用报告因子方法筛选所述差异功能通路。

16、作为本发明进一步的方案：所述线性判别分析效应量分析的筛选标准为lda>3且p<0.05；

17、所述报告因子方法的筛选标准为|z|>1.96且校正后p<0.05。

18、作为本发明进一步的方案：步骤s5中所述差异标志微生物包括：

19、相比于健康对照组，特应性皮炎组肠道中普拉梭菌和布氏瘤胃球菌的丰度降低，单形拟杆菌和长双歧杆菌的丰度升高。

20、作为本发明进一步的方案：所述差异标志微生物还包括长双歧杆菌和考氏塞加特菌的相对丰度比在特应性皮炎组中显著高于健康对照组。

21、作为本发明进一步的方案：步骤s5中所述差异功能通路包括：

22、相比于健康对照组，特应性皮炎组肠道菌群中两组分系统通路、abc转运蛋白通路、非磷酸化ed途径模块和嘧啶脱氧核糖核苷酸合成模块的显著上调；

23、以及脂肪酸生物合成通路、果糖和甘露糖代谢通路和磷酸转移酶系统通路的显著下调。

24、作为本发明进一步的方案：所述非磷酸化ed途径模块为kegg module m00309。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果：

26、本发明采用宏基因组测序技术，能够达到物种级别的分辨率，突破了传统16srrna技术的局限。同时，本发明整合了“物种组成、共生网络、功能潜能”三个维度的分析，首次系统性地揭示了特应性皮炎患者肠道菌群从“稳态发酵型”向“炎症适应型”的全局性转变。

27、本发明通过构建微生物共生网络并进行zi-pi拓扑分析，能够识别特应性皮炎患者肠道菌群网络是否呈现“连接更紧密、正相关占优、出现特定模块枢纽”的特征，为评估ad相关的微生态稳定性变化提供了新方法。

1.基于宏基因组学的特应性皮炎肠道菌群特征解析及生物标志物筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中所述构建微生物共生网络的方法为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设阈值为spearman相关系数绝对值>0.6，且p值<0.01。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s4中还包括对所述微生物共生网络进行zi-pi分析的步骤：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s5中采用线性判别分析效应量分析筛选所述差异标志微生物，采用报告因子方法筛选所述差异功能通路。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述线性判别分析效应量分析的筛选标准为lda>3且p<0.05；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s5中所述差异标志微生物包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述差异标志微生物还包括长双歧杆菌和考氏塞加特菌的相对丰度比在特应性皮炎组中显著高于健康对照组。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s5中所述差异功能通路包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述非磷酸化ed途径模块为kegg modulem00309。