研究论文
● 期刊：Cell Host & Microbe(IF:18.7)
● DOI：https:///10.1016/j.chom.2025.04.010
●原文链接: https://www./cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(25)00143-X
● 第一作者：Jacob S. Baker
● 通讯作者：Tami D. Lieberman（[email protected]）
● 发表日期：2025-5-14
● 主要单位：
美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院、美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学
● 当家庭成员之间共享细菌菌株时，多个细胞参与相互传播过程
● 尽管日常接触频繁，家庭成员仍保有各自独特的面部菌株群落
● 表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）菌株呈动态变化，平均持续时间约为2年
● 在面部微生物群向成人状态过渡的过程中，痤疮丙酸杆菌（Cutibacterium acnes）菌株可迅速定植
成年人的面部皮肤微生物组在物种层面上非常相似，主要由痤疮丙酸杆菌（Cutibacterium acnes）和表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）主导，但每个人携带的菌株群落却具有独特性。了解这些个体特异性群落是如何建立的，对于设计基于微生物组的治疗方法至关重要。本研究利用4,055个分离菌株基因组和356个宏基因组数据，重建了个体面部皮肤微生物的进化历史，以揭示个体内及个体间的菌株动态。研究发现，通常有多个细胞参与菌株的传播，表明迁移机会充足。尽管如此，家庭成员之间仅共享部分菌株。表皮葡萄球菌群落具有较强的动态性，单个菌株的平均持续时间仅为约2年；相比之下，痤疮丙酸杆菌菌株更为稳定，在向成年面部皮肤微生物组过渡的过程中定植率更高，这一时间窗口可能有利于治疗性菌株的植入。这些此前未被察觉的动态过程可能影响微生物组疗法的设计，并促使我们进一步研究其对宿主的影响。
成年型面部皮肤微生物群（FSM）的物种水平建立
我们在一所K-8学校对儿童及其父母的面部皮肤微生物群（FSM）进行了为期1.4年的采样（图2A）。采样是在5个不同的日期随机进行的，并非每位家庭成员都在同一时间接受采样。总共采集了30名儿童（年龄5至15岁）和27名家长（年龄34至61岁）的样本。基本的健康和人口统计信息通过问卷获得（详见STAR方法），鉴于队列规模较小，这些信息主要用于生成假设。
图2 | 宏基因组测序对已完成与尚未完成向低多样性成年型面部皮肤微生物群（FSM）转变的儿童的区分
(A) 我们从20个不同核心家庭的57位年龄在5至60岁之间的个体的四个面部皮肤部位采集了面部皮肤微生物群（FSM）样本。约一半的受试者仅采样一次，其他个体则根据实际情况在多个时间点采样（图 S2C；表 S1）。
(B) 在其中8个家庭中，我们从培养得到的分离株中共获得了4,055个基因组（上图），并将其归类为89个不同的痤疮丙酸杆菌（C. acnes）谱系和78个表皮葡萄球菌（S. epidermidis）谱系。与此同时（下图），我们对所有受试者的宏基因组样本进行测序，并结合分离株定义的谱系特异性SNP信息，以更高灵敏度追踪各谱系的丰度及其动态变化。宏基因组数据还使我们能够分析未培养个体的物种组成和大致的种内多样性，以及无培养样本的时间点。由于不同面部区域之间的微生物差异较小（图 S1），我们将这些数据合并分析。我们利用宏基因组数据追踪菌株的传播与更替事件，并通过谱系内系统发育（右上）进一步解析其动态过程。
(C) 对101个宏基因组样本的分层聚类清晰地区分出两类物种水平的群落结构，我们称其为“面部群落”（FCs）：一类是低多样性的成年型群落（FC2，n = 61），另一类为亚成年型群落（FC1，n = 40），与此前研究结果一致。每个点代表一个人在某一时间点的样本。数据的最佳聚类为两类（见嵌图的 Calinski-Harabasz 分数，图 S2A）。点的颜色表示受试者年龄，可见FC2中的儿童普遍年龄较FC1大。
(D) 如预期，FC2（成年型FSM）中痤疮丙酸杆菌的相对丰度显著更高。表皮葡萄球菌在两类群落间无显著差异，而链球菌属在FC1（亚成年型）中丰度明显更高。p值基于双边秩和检验，并采用 Benjamini-Hochberg 方法控制假发现率（FDR）为5%，显著性结果已标注。
我们从每位受试者的四个面部区域（额头、鼻子、面颊和下巴）采集了样本，使用的是预先湿润的拭子。为尽量减少表面污染物的干扰，采样前先用温和的清洁布清洁面部，随后用生理盐水湿巾擦拭并自然风干。在干燥过程中，皮脂腺分泌物可重新覆盖皮肤表面，从而有助于微生物的再定植。每个样本均通过宏基因组测序分析其完整的微生物群落（每个样本中去除人源序列后分配到物种的平均读段数为 3.1 × 10⁶，范围为 1.9 × 10⁵ 到 2.16 × 10⁷，详见 STAR 方法），从而使我们能够同时研究物种层面以及种内的多样性（图 2B）。分析结果显示，不同面部区域之间的群落组成差异很小（图 S1），这与先前研究一致。因此，为提高对低丰度种内群体的检测灵敏度，我们将每个时间点来自不同面部区域的宏基因组读段合并，作为一个统一样本进行分析。
正如预期，在发育过程中皮肤微生物群落会发生显著变化。我们发现，年幼儿童与成年人在物种层面的FSM组成存在明显差异。对物种组成进行分层聚类后，我们识别出两类群落类型，我们称之为“面部皮型”（facial cutotypes，简称 FCs）（图 2C，S2A，S2B；详见 STAR 方法）：FC1 主要见于年幼儿童（采样时年龄中位数为 11.5 岁），而 FC2 群落则出现在几乎所有家长（仅一例例外，见图 S3A）和大多数年长儿童中（年龄中位数为 14.1 岁）。我们将儿童归为 FC2 群体，只要他们至少有一个样本被归为 FC2（图 S2C），其余则归为 FC1。虽然 FC2 儿童的平均年龄显著高于 FC1（图 S2D，p = 8.2 × 10⁻⁴），但两者之间没有明确的年龄分界线，这也符合青春期发育存在个体差异的现象。若样本量进一步扩大，可能呈现连续谱而非二元分类。不过，本研究中 FC1 和 FC2 群体之间的显著分离，使我们能够仅凭宏基因组数据准确判断哪些儿童尚未开始形成成年型FSM。
成年型群落 FC2 的显著特征是痤疮丙酸杆菌（C. acnes）的高占比，同时伴随着物种层面 α 多样性的显著降低，这与既有研究结果一致（图 S3B）。相比之下，FC1 群落则以多种 链球菌属（Streptococcus） 为主导。尽管表皮葡萄球菌（S. epidermidis）在 FC1 和 FC2 群体中的相对丰度相近（图 2D，分别为 6.4% 和 5.3%，p = 0.19），但其绝对丰度在家长群体中显著高于儿童（图 S3F，p < 0.05），提示在向成人FSM过渡过程中，面部微生物的整体密度也会发生变化。
个体中表现为中性共存的谱系层级菌群
接下来，我们在谱系层面刻画了种内多样性及其动态变化，这是理解微生物迁移行为所必需的分辨尺度。由于判断菌株是否属于同一谱系需要全基因组级别的分辨率，我们采用了一种高通量的、基于培养的方法。研究聚焦于8个家庭单元，这些家庭中每个至少包括3名成员，且均包含至少一位家长和一位儿童。我们从每位个体在每个时间点采集的样本中分离菌株，在温和的选择性培养条件下获得了单克隆菌落，并对其进行全基因组测序。平均而言，每个样本中获得了47株痤疮丙酸杆菌（C. acnes）（范围：0–133）和45株表皮葡萄球菌（S. epidermidis）（范围：0–186）。由于各个个体获得的分离株数量不一，我们在分析中设定了纳入阈值，具体标准详见正文、图注及 STAR 方法部分。最终，我们共获得了4,055个菌株，并将其聚类为167个谱系（每个谱系包含至少3株分离株）。我们采用的聚类方法确保同一谱系内的菌株彼此间的亲缘关系高于其与其他谱系菌株的亲缘关系（详见 STAR 方法）。尽管同一谱系的菌株之间可能存在一定的基因组内容差异（见表 S4），但本研究主要基于单核苷酸多态性（SNP）进行谱系划分，因为SNP的积累具有相对稳定的“分子时钟”特性，有助于推断传播过程。在全基因组范围内，同一谱系中的痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌菌株之间的SNP差异分别不超过62和90个位点（图 3A），说明这些菌株拥有共同的近期祖先，其演化历史可追溯至个体生命期内，因此很可能通过近期传播事件建立了亲缘关系。
图3 | 个体中亲缘关系密切的谱系的共存
(A) 两个物种的谱系之间亲缘关系非常密切，在整个基因组范围内，同一谱系内的最大遗传距离仅为90个SNP（2,025株表皮葡萄球菌的最大为90个SNP，2,030株痤疮丙酸杆菌的最大为62个SNP），表明这些菌株拥有共同的最近共同祖先（MRCA），其存在于个体生命周期之内。
(B) 对于这两种细菌，我们几乎总是在同一时间点观察到多个谱系共存。对于每个样本，纳入分析的谱系包括从分离株或宏基因组数据中检测到的所有谱系（图 S4A–S4D；详见 STAR 方法）。仅纳入同时满足两个条件的样本：（1）分离株数量大于25株；（2）宏基因组中谱系级别分类覆盖率超过70%。最终纳入的样本数量为痤疮丙酸杆菌的26个，表皮葡萄球菌的13个。图中的垂直线表示中位数。
(C) 对于两种菌，在同一宿主体内共存的亲缘谱系之间的平均基因组内容差异，并未显著高于随机预期，这与代谢生态位分化（metabolic niche partitioning）所预期的情况一致。共存谱系与（B）中所用相同，基因组内容差异基于谱系联合组装分析（详见 STAR 方法）。p 值表示在 10⁵ 次蒙特卡洛模拟中，小于观察值的比例乘以2。
为更好地检测那些因丰度较低而在培养过程中未被发现、但在个体间共享的谱系，我们还利用宏基因组方法评估了谱系组成（详见 STAR 方法）。这也使我们能够在未获得任何分离株（因此也无法定义谱系）的受试者中，以较粗略的种内分辨率分析其种内多样性。在同时具备足够分离株和宏基因组数据的个体中，宏基因组推测的谱系丰度与培养推测的丰度显著相关（图 S4，痤疮丙酸杆菌：p = 5.1 × 10⁻²²，R² = 0.55；表皮葡萄球菌：p = 3.8 × 10⁻¹⁸，R² = 0.82）。在所有受试者中，我们发现多谱系共存在两种菌中都十分常见（图 3B；痤疮丙酸杆菌的中位共存谱系数为7，表皮葡萄球菌为6），这一结果与先前研究一致。在某些个体中，甚至可观察到多达11个来自同一物种的谱系同时共存。
为了检验这些共存的同种谱系是否占据了功能上不同的生态位，我们分析了共存谱系之间的基因组内容和系统发育距离。如果谱系因功能差异而共存，理论上应出现“过度离散”（overdispersion）现象——即同一宿主体内的谱系间差异大于随机抽样所得的期望差异。但无论是在基因组内容还是系统发育距离方面，我们在这两种菌中均未观察到过度离散现象（图 3C 和图 S5），这表明亲缘关系密切的谱系也可以共存。尽管这些结果无法完全排除存在低于检测限的生态位分化或生态位过滤，但它们支持一个中性模型：痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌的亲缘谱系可在面部皮肤上共存，且共存并不必然依赖于功能差异。
家庭成员之间共享部分（但非全部）谱系
正如肠道和口腔微生物组研究所揭示的那样，谱系在家庭成员之间广泛共享，但在家庭之间则不常见。我们将宏基因组数据与分离菌株结果结合，以检测潜在的低丰度谱系共享，结果发现仅有 47% 的痤疮丙酸杆菌谱系和 44% 的表皮葡萄球菌谱系在同一家族的两位或以上成员之间存在共享证据（数据来源包括宏基因组和分离菌株，详见 STAR 方法）。相比之下，在同一所学校的非家庭成员之间，仅发现 2 个痤疮丙酸杆菌谱系在宏基因组样本中被共享，而表皮葡萄球菌的共享谱系为 0。在这两例跨家庭共享中，相关谱系在其中一位个体体表的丰度均低于 5%，这可能提示实验或计算误差。此外，还有 5 个痤疮丙酸杆菌谱系和 8 个表皮葡萄球菌谱系的分离菌株来自多个家庭的个体；但这些共享事件并未在宏基因组中得到支持。尽管这些情况涉及同一学校的学生，理论上可能代表短暂的传播，但由于这些谱系的分离菌株数量较少，无法排除实验误差的可能性（图 S6；详见 STAR 方法）。总体而言，这些结果表明谱系共享更可能发生在密切接触的人群之间。
值得注意的是，尽管存在因接触而可能发生的传播，家庭成员仍保留了彼此独特的微生物群落（图 4A 和图 S7）。同一受试者在不同时间点采集的样本之间相似性明显高于来自同一家族中其他成员的样本。此外，大多数父母所携带的谱系并未在配偶之间共享（痤疮丙酸杆菌：37个谱系中有23个未共享；表皮葡萄球菌：28个谱系中有23个未共享，详见 STAR 方法）。这些个体特异谱系常常在其宿主体内具有较高丰度（图 S8B），表明这不仅仅是检测灵敏度或接触机会不足造成的假象。这种不完全共享表明，在成人之间存在一定的传播屏障，这种屏障可能是中性的（例如“优先效应”）或选择性的（例如个体特异的定植选择），其中表皮葡萄球菌的传播屏障似乎更为显著。
图4 | 尽管物理传播障碍较低，家庭成员之间仍并不共享所有谱系
(A) 对于这两种细菌，家庭成员之间共享部分谱系，但并非全部。谱系归属是基于宏基因组样本中谱系级别分配率超过70%的数据判定的。我们选用了 Jaccard 距离作为相似性衡量指标，因为该指标对丰度差异不敏感，并基于每位个体所有样本中检测到的谱系计算得出。家庭成员之间的 Jaccard 距离分布（绿色，痤疮丙酸杆菌n = 17，表皮葡萄球菌n = 13）显著低于同一受试者不同时间点样本之间的距离（红色，痤疮丙酸杆菌n = 27，表皮葡萄球菌 n = 11）。而来自同一学校但非家庭成员之间的共享（黑色，痤疮丙酸杆菌n = 154，表皮葡萄球菌= 92）极为罕见。
(B–D) 当谱系在不同个体之间共享时，其传播方向并不总是明确，但系统发育树的拓扑结构显示多细胞传播是常见现象。图中展示了来自同一家族的三个系统发育树示例，箭头表示推断出的最小传播基因型至目标个体的方向。系统发育树 (B) 清楚地显示出从父亲 8PB 向其子女 8AB 的传播；(C) 显示向子女 8AC 的传播存在单细胞瓶颈，但传播来源（父母哪一方）尚不明确；(D) 显示父母 8PA 与子女 8AB 之间存在多次传播，方向不明确。
(E) 统计了所有谱系中（痤疮丙酸杆菌为 89 个，表皮葡萄球菌为 78 个）能够明确传播方向、传播方向不明确、以及未发生共享的比例（详见 STAR 方法；图 S9）。
(F) 在所有谱系和接收者中，解释谱系多样性所需的最小传播基因型数通常大于 1（痤疮丙酸杆菌n = 15，表皮葡萄球菌= 17，中位数均为2，图中竖线所示），提示在一个或多个时间点发生了多个细胞的迁移。同一谱系被三人或以上共享时，每位接收者计为一次。p 值来自双边秩和检验，均使用 Benjamini-Hochberg 方法控制假发现率为 5%，结果均具有统计学显著性。
谱系共享由多细胞传播介导
为深入了解成功传播事件中涉及的传播方向及细胞数量，我们分析了基于分离株构建的谱系系统发育树（图 4B–4F 和图 S9）。当个体分离株的最近共同祖先（MRCA）明显晚于另一位个体时，可据此推断传播方向。然而，在具备足够分离株的谱系中，仅有少数（40 个谱系中 18 个）满足这一条件（图 4E 和图 S9A；详见 STAR 方法）。在这些可推断方向的传播事件中，大多数是由父母传播给子女（痤疮丙酸杆菌中为 9/10，表皮葡萄球菌中为 9/13；见图 4B、4C、S9B、S9C）。若系统发育树呈现复杂拓扑结构，往往难以确定方向性，这可能是由于涉及多个个体、多个基因型的传播，或两者共同作用（图 4E 和图 S9D）。
在家庭成员之间共享的谱系中，我们观察到痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌均以多细胞传播为主。估算显示，每个谱系在每位接收个体中通常涉及至少两个不同基因型（即多个细胞）的传播，最多可达 11 个（图 4F；详见 STAR 方法）。由于同一基因型的多个细胞传播无法区分，这一估算仍偏保守。此外，在痤疮丙酸杆菌中，随着分离菌落数量的增加，推断出的传播基因型数量也相应增多（图 S10A）。虽然我们无法判断这些细胞是同时还是分时传播，但整体结果表明，在人与人之间的传播中，单细胞瓶颈现象较为罕见。
对于痤疮丙酸杆菌，多细胞传播的普遍性与我们此前的研究相符，即：每个皮脂毛囊单独定植，形成类似“群岛”的空间结构，有助于多个基因型在不直接竞争的条件下长期共存。相比之下，表皮葡萄球菌在皮肤上的微观空间分布仍不清楚，目前尚不清楚其是否存在支持多基因型共存的解剖学基础。此外，痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌的系统发育结构也存在显著差异：前者具有更“梳状”的树形结构，突变不共享的比例更高，而后者谱系之间的差异相对较小（图 S9E），这可能反映出表皮葡萄球菌菌群在皮肤上混合更充分。综上所述，这两种菌在传播过程中均未出现明显的单细胞瓶颈现象，提示其在宿主体内可能存在空间结构化的生态环境，从而有利于多个传播基因型的稳定共存。
表皮葡萄球菌（S. epidermidis）谱系持续被获取，并随时间逐渐稳定
接下来，我们通过比较连续采样，进一步探究个体体内谱系的动态变化。对于表皮葡萄球菌（S. epidermidis），我们在较短的时间间隔内（中位时间为 0.43 年，范围 0.39–1.0 年）观察到大量谱系更替事件。与相对稳定的痤疮丙酸杆菌相比，表皮葡萄球菌在不同时间点之间丢失的谱系比例显著更高，其谱系层级群落的总丰度下降也更为明显（图 5A 和 5B）。
这种动态性也在群落水平上表现为快速的变化，尽管在任意一个时间段内，个体的谱系并未发生完全更替（图 5C 和图 S11）。尽管此前有研究（如 Oh 等人）认为表皮葡萄球菌在该时间尺度上较为稳定，但我们对该研究数据的重新分析显示，与本研究观察到的结果一致，表皮葡萄球菌实际上呈现持续更替的状态，其谱系丢失速率相似（图 S12）。
此外，这种波动不仅出现在儿童中，也同样发生在父母个体中（图 S11 和图 S13），说明表皮葡萄球菌谱系在整个生命过程中都处于不断获取与流失的动态状态。
图5 | 表皮葡萄球菌（S. epidermidis）的谱系在整个生命过程中不断获得与丢失
我们在多时间点具备足够宏基因组覆盖度的受试者中，分析了谱系水平的稳定性。
（A） 在谱系水平上，表皮葡萄球菌的稳定性远低于痤疮丙酸杆菌。
（B） 由于低丰度谱系接近检测下限，可能导致谱系更替的假象，我们评估了不同时间点之间丢失谱系的总丰度。结果显示，表皮葡萄球菌丢失谱系的平均总丰度较大，而痤疮丙酸杆菌则几乎可以忽略不计。图中显示了每位受试者在所有时间间隔的平均值（痤疮丙酸杆菌n = 8，表皮葡萄球菌n = 5）。
（C） 在为期1.4年的观察期间，基于考虑丰度的Bray-Curtis不相似性指标，个体体内表皮葡萄球菌的谱系群落更替速度明显快于痤疮丙酸杆菌。图中显示了在至少两个时间点拥有超过70%谱系分配的受试者，且两次采样时间间隔至少6个月的个体（痤疮丙酸杆菌n = 7，表皮葡萄球菌n = 4；更高分类水平的受试者分析见图 S11，Oh 等人研究的重新分析结果见图 S12）。
（D） 通过计算个体上各谱系的突变距离到最近共同祖先（dMRCA），并结合分子钟转换为最近共同祖先时间（tMRCA）（图 S14），进一步支持了表皮葡萄球菌的不稳定性。分析对象为每位受试者中至少含有5个分离株的谱系。表皮葡萄球菌谱系的中位年龄约为1.2年（n = 83，最大12.2年）。谱系在父母身上的年龄显著大于儿童，尽管相较于成人寿命仍较年轻（另见图 S15A 和 S15C）。这一年龄估计不是采样深度的假象，因为含有大量分离株的谱系往往具有较低的 dMRCA（图 S17B）。
（E） 各组受试者中新近定植的谱系（tMRCAMIN）年龄相近（FC1儿童 n = 8，FC2儿童 n = 5，父母 n = 9），提示新定植速率相似。
（F） 与较长的定植时间和相似的新定植率一致，父母体内的物种内丰富度高于儿童。物种内丰富度以表皮葡萄球菌的亚谱型数量衡量，涵盖无谱系数据的受试者（FC1儿童 n = 10，FC2儿童 n = 7，父母 n = 16）。图中显示了每位受试者所有时间点样本的亚谱型平均数。仅分析亚谱型分配率超过70%的时间点样本（详见 STAR 方法）。
（G） 我们的观察结果支持这样一个模型：表皮葡萄球菌的谱系在个体间持续获得和流失，但在成人体内能够存续更长时间，成人具有更高的表皮葡萄球菌细胞承载能力[^30]。图中每组线条之间的区域表示谱系的丰度，不同颜色对应谱系被获得的时间窗口。所有 p 值均来自双侧秩和检验，使用 Benjamini-Hochberg 方法控制假发现率为 5%，显著结果以粗体显示。组内水平或垂直线条表示中位数。
为了用另一种独立方法验证我们关于表皮葡萄球菌（S. epidermidis）谱系不稳定性的推断，我们基于分离株基因组构建的谱系系统发育树，分析了每位个体上各谱系最近共同祖先（MRCA）的年龄。首先，我们测定了表皮葡萄球菌的突变积累速率，约为4.4次突变/基因组/年（见图 S14，详见 STAR 方法），与文献报道相符。然后，我们利用这一速率将谱系在个体上的遗传距离（dMRCA）转换为时间尺度（tMRCA）。
正如纵向数据中观察到的动态不稳定性所预期，所有谱系的 tMRCA 都显著小于对应个体的年龄，最大值为12.2年，中位数为1.2年（图 5D 和图 S15A）。虽然较低的 tMRCA 也可能源于近期的选择性扫荡或中性瓶颈导致的多样性丧失，但我们未发现与适应性进化相关的迹象，如平行进化、非同义/同义突变比率异常或时间点间的遗传扫荡（图 S16）。即使是在含有大量分离株的谱系中，也同样存在较低的 tMRCA（图 S17B）。这些结果表明，尽管表皮葡萄球菌在物种层面表现相对稳定，但其谱系在个体体内通常仅能存续数年。
值得注意的是，父母体内的谱系 tMRCA 显著长于儿童（图 5D；父母中位数约为2.1年，FC1和FC2儿童分别为0.53年和1.2年，p=0.0024），说明尽管谱系持续更替，个别谱系在成人体内更为稳定。这并非单纯因儿童出生时即被定植所致，因为儿童谱系的 tMRCA 仍明显低于其年龄。为了解不同年龄段新谱系定植速率的差异，我们考察了每个个体中最新获得谱系的年龄指标（tMRCAMIN），结果显示各组间无显著差异（图 5E），支持表皮葡萄球菌在不同年龄个体中以类似速率获得新谱系，但谱系在成人中更稳定。
基于上述两点——成人谱系稳定性更高和新谱系获得速率相似——我们推测成人体内谱系共存数量多于儿童。实际数据也显示，父母体内表皮葡萄球菌的物种内多样性显著高于儿童（图 5F 和图 S18）。这与成人体内更高的菌群承载量（绝对丰度）降低了基因漂变，从而增强了稳定性相吻合。
综上，我们通过宏基因组的纵向数据和分离株系统发育分析两种独立手段，均得出一致结论：表皮葡萄球菌谱系从儿童期开始持续获得和流失，但在成人体内单个谱系的存续时间更长（图 5G）。这一谱系层面的动态变化表明，终生的优先效应无法完全解释家庭成员间谱系共享不完全的现象（图 4A）。
痤疮丙酸杆菌（C. acnes）在人数扩张期间易于获得
与表皮葡萄球菌（S. epidermidis）相比，在研究时间范围内，痤疮丙酸杆菌（C. acnes）的谱系在个体间表现出明显的稳定性（见图5C，p = 0.012；详见STAR方法），这与此前宏基因组学研究结果相符（参见Oh等人5及图S12）。那些出现谱系更替的情况，其检测时间点的置信度较低（图S19），表明这些谱系的获得或丢失可能只是接近检测极限时的波动所致。即使纳入所有受试者（包括无分离株的个体），使用更宽泛的分类单元——亚谱系（phylotypes）进行分析时，痤疮丙酸杆菌群落仍比表皮葡萄球菌群落更稳定（见图S11和S13）。尽管痤疮丙酸杆菌的亚谱系数量更多（9个对4个，见图S20），增强了统计效能，但这一观察进一步支持了痤疮丙酸杆菌定植随时间持续稳定的结论。
尽管如此，痤疮丙酸杆菌谱系的 dMRCA 与宿主年龄或面部群落类型（FC类型）之间并无显著相关性（图6A），我们也未检测到显著的分子钟信号来推断 tMRCA（图S14C）。dMRCA 与年龄缺乏相关性，理论上可能是由于个体内发生选择性扫荡，导致积累的遗传多样性被清除。然而，我们在痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌中均未发现适应性选择的迹象（图S16），这与我们此前的研究结果一致18。dMRCA 在生命周期内保持一致，可能是因为最近共同传播的痤疮丙酸杆菌基因型导致受体谱系看起来与其来源一样“古老”（图6B）。在多细胞传播的情况下，受体谱系的最近共同祖先可能产生于供体个体，甚至早于受体出生。因此，我们观察到年轻个体中存在深分支谱系共存（图6B插图），且仅考虑未共享谱系时，dMRCA 与年龄之间呈现弱相关（图S15D，p = 0.045，R² = 0.1）。此外，儿童与父母之间的 dMRCAMAX 无显著差异（图6B）。多谱系传播也可能是本研究（图S14）及之前研究18未能检测到显著分子钟信号、影响 dMRCA 向 tMRCA 转换的原因之一。
图6 | 痤疮丙酸杆菌（C. acnes）谱系在面部菌型转变期间迅速获得，提示人群扩张暂时缓解了定植的生态屏障
(A) 与表皮葡萄球菌（S. epidermidis）（见图5D和S15A）不同，痤疮丙酸杆菌（C. acnes）谱系的 dMRCA 与受试者的分类或年龄之间无显著相关性（n = 83）。仅对来自某受试者且至少有5个分离株的谱系进行了该受试者的 dMRCA 分析。
(B) 此外，每位受试者中 dMRCA 最长的谱系（dMRCAMAX）在父母和儿童之间无显著差异（n = 2 FC1儿童，6 FC2儿童，13位父母）。该无显著差异的现象与谱系多细胞传播的观察一致（见图4F）。插图显示了一位儿童的极端谱系树。
(C) 尽管如此，我们在分析每位受试者最新定植谱系的 dMRCA（dMRCAMIN）时发现了年龄相关信号。父母最新定植的谱系 dMRCAMIN 较所有儿童均较大，表明父母的定植频率较低（详见图S15）。
(D) 同样，dMRCAMIN 与年龄显著相关，但儿童组中有例外（插图）：年长儿童的新定植谱系比年幼儿童更多，显示出快速定植的时间窗口。
(E) 支持痤疮丙酸杆菌新谱系随时间累积的观点，在我们规模更大的无谱系数据队列中发现，成人共存的亚谱系数更多（n = 8 FC1儿童，10 FC2儿童，26位父母）。每位受试者展示其时间点的亚谱系平均数，且仅考虑亚谱系分配率>70%的时间点样本。
(F) 综上，这些结果支持这样一个模型：谱系在向成熟女性面部微生物群（FSM）转变以及人群扩张期间最容易被获得。每组线条间的面积代表谱系丰度，谱系颜色表示其获得的时间窗口。所有相关系数及 p 值均基于线性（Pearson）相关或双侧秩和检验，若假发现率5%内显著则加粗。组内横线表示中位数。
我们转而分析了 dMRCAMIN，以评估每位受试者最新获得的单一谱系的年龄。结果显示，所有受试者中，儿童的 dMRCAMIN 显著低于父母（图6C，p = 9.5 × 10⁻⁴），表明儿童获得谱系的时间更近。此外，痤疮丙酸杆菌的 dMRCAMIN 与年龄呈显著正相关（图6D，p = 0.0086，R² = 0.31）。仅在儿童群体中，FC2 组的 dMRCAMIN 更低，并且与年龄呈负相关（图6D插图，p = 0.011）。这些趋势支持了这样一个模型：痤疮丙酸杆菌谱系在向 FC2 转变期间以更高频率获得，同时伴随着痤疮丙酸杆菌群体规模的增长。
在向 FC2 群落转变的过程中，新谱系的涌入可能既替代也增加了原有谱系。与承载容量增加期间谱系增加的模型一致，父母体内的亚谱系数明显高于儿童（图6E，p = 0.0029）。虽然由于 FC1 儿童体内痤疮丙酸杆菌丰度较低（图S2D和S18），我们未能在 FC1 与 FC2 儿童间获得显著的物种内多样性差异，但观察到的趋势同样支持谱系在转变期间增加的假设（图6F）。
总体来看，这些结果揭示了痤疮丙酸杆菌与表皮葡萄球菌在个体内的不同动态。表皮葡萄球菌谱系在整个生命周期内更频繁更替。虽然具体原因尚不明确，但值得注意的是，表皮葡萄球菌拥有更大且更动态的辅助基因组（图S21），这可能导致其谱系间竞争更加激烈。另一个显著差异是，只有痤疮丙酸杆菌谱系在群体扩张及向成熟女性面部微生物群（FSM）转变期间获得速度最快。此阶段痤疮丙酸杆菌群体规模剧烈增长（105倍相比102倍），可能是导致这一现象的关键因素。
Tami Lieberman（通讯作者）
Tami于2018年1月加入麻省理工学院任教，目前领导一个结合计算与实验的研究团队，专注于皮肤微生物组中个体内部的进化过程，其研究项目涵盖理论种群遗传学到应用于皮肤疾病治疗的益生菌开发。她实验室的核心方向之一是揭示微生物定植机制，以推动精准微生物组疗法的发展。她曾获得2020年NIH新创新者奖（NIH New Innovator Award）。在哈佛大学获得系统生物学博士学位，并在Roy Kishony的实验室从事研究工作。在研究生阶段，Tami开发了新的基因组学方法，用于理解细菌在个体感染过程中的进化方式。作为麻省理工学院Eric Alm实验室的博士后，她进一步发展并应用这些基因组学方法，以研究健康状态下定植于人体内的微生物。
翻译：荀佳妮，中国农科院基因组所，生物信息学硕士在读
审核：朱志豪，广东医科大学，基因组所联合博士后
终审：刘永鑫，中国农科院基因组所，研究员/博导
排版：杨海飞，青岛农业大学，基因组所联培硕士在读
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