桥本甲状腺炎（Hashimoto's Thyroiditis, HT）是一种全球高发的自身免疫性疾病，作为甲状腺功能减退的主要病因，影响约10-12%的全球人口。虽然甲状腺自身抗体检测的广泛应用提升了HT的早期诊断水平，但其确切发病机制仍未完全阐明。目前研究表明，HT的发病涉及遗传因素、环境因素及表观遗传调控的复杂相互作用。近年来，大量研究证据揭示肠道微生物组通过"肠道-甲状腺轴"在HT的发生和进展中扮演重要角色。然而，关于肠道微生物组如何调控宿主基因表达并参与HT发病的分子机制研究仍然有限，这在很大程度上制约了对HT发病机制的深入理解。

近日，西安交通大学李苗/官方霖教授研究团队在国际知名杂志《Journal of Translational Medicine》发表了题为“Integrative analysis of gut microbiome and host transcriptome reveal novel molecular signatures in Hashimoto’s thyroiditis “的研究论文。研究者利用昊为泰宏基因组和全转录组测序数据，系统比较了HT患者与健康个体的肠道微生物组特征和宿主转录组表达谱，深入探讨了二者间的互作关系。该研究不仅揭示了HT发病相关的关键分子特征，也为HT的早期分子表征和靶向治疗提供了新的研究思路。

中文标题：肠道微生物组和宿主转录组的整合分析揭示了桥本甲状腺炎的新分子特征

研究材料与方法

本研究采用两阶段研究设计，基于两个独立研究中心的队列数据。发现阶段纳入14例早期HT患者及13例匹配的健康对照，验证阶段纳入17例早期HT患者及17例匹配的健康对照。研究对所有受试者的粪便和血液样本分别进行宏基因组测序和全转录组测序。通过差异表达分析、加权相关网络分析、相关性分析和随机森林分析等多维度分析方法，系统评估了分子特征。后，应用回归模型结合ROC曲线分析对HT相关的关键分子特征进行筛选和验证。

研究内容

本研究首先汇总了发现阶段和验证阶段中HT患者和健康对照的临床数据（表1），包括性别、年龄、甲状腺功能指标（FT3、FT4、TSH）及抗体水平（TPO-Ab、TG-Ab）。数据使用均值±标准差和中位数（四分位数范围，IQR）表示，显著性差异通过t检验和Wilcoxon秩和检验评估。结果显示HT患者组的TPO-Ab、TG-Ab显著升高，而其他甲状腺功能指标（FT3、FT4、TSH）均保持在正常范围内。

表1、HT患者和健康对照组的临床特征。

研究者接下来分析了肠道微生物组的多样性与组成变化（图1）。HT患者的肠道微生物组多样性（α多样性和β多样性）结果显示，HT患者在α多样性指标上无显著变化，但β多样性分析显示出组间微生物组成的细微差异。这表明，在HT的早期阶段，肠道环境可能已受到轻度影响。在分类学水平上，HT患者中两种菌门Bacillota_A和Spirochaetota的丰度显著增加。此外，24种属和67种菌株在HT患者中表现出显著差异，包括产丁酸盐和醋酸盐的有益菌属（如Catonella和Murimonas_intestini）减少，而机会致病菌（如Peptostreptococcus）增加。这些结果揭示了HT患者肠道菌群的潜在失衡。

图1、HT患者与健康个体肠道微生物组的多样性与组成变化。A. α多样性指标（Ace、Chao、Shannon和Simpson指数）显示组间无显著差异。B. β多样性分析基于Bray-Curtis距离进行非度量多维尺度分析（NMDS），显示HT患者微生物组成的细微变化。C. 不同菌门的相对丰度，显示HT患者中Bacillota_A和Spirochaetota丰度增加。D. Firmicutes与Bacteroidetes的丰度比值在HT患者中表现出异常。E–G. 在菌门、属及种水平上的差异分析，HT患者中显著的微生物分类单元。H. 生态网络分析揭示HT患者肠道菌群的抑制性相互作用减少。

对肠道微生物的功能分析进一步表明，与健康个体相比，HT患者的肠道菌群在感染相关途径（如金黄色葡萄球菌感染通路）上显著富集，而健康个体中与免疫相关的自然杀伤细胞介导细胞毒性途径则表现出富集。这表明肠道微生物群的功能性改变可能与HT的免疫反应密切相关（图2）。

图2、HT患者肠道微生物功能途径的差异。A. 使用Welch’s t检验比较功能通路发现，HT患者中感染相关功能通路（如金黄色葡萄球菌感染与新冠肺炎相关通路）显著富集。B. Spearman相关分析显示某些菌属（如Lachnospiraceae家族）与功能通路之间存在显著关联，红色表示正相关，蓝色表示负相关。C. 散点图展示了与HT相关功能途径显著相关的菌属，例如与自然杀伤细胞介导细胞毒性通路相关的Salaquimonas。

之后，研究者通过整合肠道微生物组与HT患者的临床指标，进一步揭示了早期HT的分子特征（图3）。通过冗余分析（RDA）与典范对应分析（CCA）分析，发现TPO-Ab、TG-Ab、TSH和剪切波弹性成像（SWE）是影响肠道微生物群结构的关键环境因子。这些指标与HT的早期阶段显著相关。Spearman相关分析鉴定出与这些临床指标显著相关的前10种菌属，包括与甲状腺自身抗体水平密切相关的Salaquimonas和Clostridium属。通过随机森林方法，筛选出3种关键菌种可以作为HT的分子特征。研究进一步通过交叉验证评估分类模型的准确性，交叉验证曲线可以显示模型误差与所用物种数量之间的相关性。结果显示2-5种关键菌种即可达到佳分类性能。这些特征物种可能作为早期HT的分子特征，为早期检测和干预HT发展提供潜在靶点。

图3、肠道微生物组与HT临床指标的相关性与分子特征。A. 冗余分析（RDA）和典范对应分析（CCA）揭示，TPO-Ab、TG-Ab等临床指标对肠道微生物组结构的显著影响。B. Spearman相关分析筛选出与临床指标显著相关的前10种菌属。C. 随机森林分析评估菌种对HT表型预测的重要性，筛选出3种关键菌种。D. 交叉验证曲线表明2-5种关键菌种即可实现佳预测性能。

研究者又对受试者进行了全转录组测序检测，进一步比较了HT患者与健康个体的miRNA和mRNA表达谱（图4）。结果显示，HT患者中1975个mRNA下调，1821个mRNA上调，同时12个miRNA上调，15个miRNA下调。功能分析表明，这些差异表达基因与感染、代谢、增殖及甲状腺癌相关途径显著相关。其中，研究者筛选出了6个关键的分子特征，包括2个miRNA（hsa-miR-548aq-3p和hsa-miR-374a-5p）及4个mRNA（GADD45A、IRS2、SMAD6、WWTR1），它们在免疫炎症和癌症相关通路中具有重要作用（图5）。

图4、HT患者宿主全转录组的差异表达。A. 火山图显示HT患者与健康个体之间的差异表达miRNA和mRNA；红色点表示上调基因，蓝色点表示下调基因。B. KEGG和GO分析揭示差异表达基因显著富集于感染、免疫和代谢相关通路。

图5、miRNA与mRNA的调控网络分析。A. Spearman相关分析筛选出与HT临床指标显著相关的前10个miRNA。B. GO分析显示这些miRNA显著富集于免疫和炎症相关通路。C. miRNA之间的相关性分析显示大部分miRNA之间存在显著协同作用。D. miRNA与靶mRNA的Venn图揭示了共有靶基因。E. 差异靶基因的功能预测表明其参与HT相关的多种信号通路。F. Sankey图显示2个差异miRNA（hsa-miR-548aq-3p和hsa-miR-374a-5p）与其靶mRNA在HT相关通路中的协同作用。

研究者进一步分析了微生物组与宿主基因表达的相互作用（图6）。整合分析结果发现，HT患者的肠道菌群与宿主转录组在多个通路中存在强相关性。例如，菌属Salaquimonas与多个差异表达的miRNA显示出显著的正相关，而Clostridium_AI等菌属与关键mRNA的表达密切相关。这些发现表明，肠道微生物可能通过调控宿主基因表达参与HT的发病机制。

图6、肠道微生物组与宿主转录组交互作用的整合分析。A. WGCNA分析显示12个显著基因模块，其中13个子模块与特定菌属显著相关。B. KEGG通路分析表明这些模块中的基因显著富集于代谢、免疫和癌症相关通路。C. Spearman相关分析揭示27个差异miRNA与24个显著菌属之间的协同作用。D. miRNA、菌种和mRNA的综合交互网络显示3种关键菌种与6个分子特征（2个miRNA和4个mRNA）之间的显著关联。

后，本研究利用独立验证队列进一步评估了整合分子特征对HT表征的能力。结果显示，当分别使用肠道微生物组、miRNA或mRNA结果时，分类效果有限，而结合这些分子特征后，表征性能显著提高（AUC=0.95，ACC=0.85）（图7）。

图7、分子特征在独立验证队列中的验证结果。A. 每种分子特征类型（如肠道微生物、miRNA、mRNA）的单独分类能力评估，显示肠道微生物组具有佳表现。B. 将所有分子特征（包括2个miRNA、4个mRNA和3种菌种）综合后，分类性能显著提升，AUC达到0.95，准确率（ACC）为0.85。

研究结论

本研究通过整合肠道宏基因组与宿主全转录组数据，揭示了HT患者肠道微生物组与基因表达的动态变化及其复杂交互作用。研究发现了3种关键肠道菌株、2个差异表达miRNA及4个差异表达mRNA，可以作为早期HT的分子特征。这些成果不仅深化了对肠道-甲状腺轴在HT发病机制中的认识，还为HT的分子表征和治疗干预提供了全新靶点。

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