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基于中国人群肠道宏基因组的个体BMI推断研究

摘要

目的：肠道微生物在提供个体特征信息方面具有重要作用。在某些

情况下，粪便可能是犯罪现场唯一有价值的物证，既往法医学研究侧重

于对犯罪现场遗留粪便检材进行细胞来源和DNA分析，却很少关注其

中携带的肠道微生物信息。然而由于各种因素，如DNA模板浓度过低、

抑制剂等存在，导致人体DNA在粪便中难以识别。此时利用肠道微生

物推断个体特征有助于缩小嫌疑人范围，在法医学实践中具有重要意义。

既往研究表明肠道微生物分类及丰度信息可用于犯罪嫌疑人BMI预测。

但其基因水平信息常被忽略。有研究发现人肠道微生物的结构与丰度在

一定时间内会发生变化，而肠道微生物的SNP模式在一定时间内保持稳

定。且肠道微生物基因水平遗传特征的变化与相对丰度无关，具有长期

稳定性和高度个体特异性。因此，本研究基于中国健康人群肠道宏基因

组数据，探究肠道微生物群落特征并利用肠道微生物遗传特征构建BMI

预测模型，以期为我国法医学实践嫌疑人体貌特征刻画提供新方法。

方法：

1.数据筛选：利用PubMed网站有哪些信誉好的足球投注网站研究对象为中国健康人群的文

献，选择全部在Ilumina平台测序的粪便宏基因组数据，并将原始测序数

据与文献表型信息进行比对，下载符合条件的数据。

2.样本采集及处理：收集30名中国河北地区健康成年人粪便样本，

进行法医学应用评估。每例样本约2g，于﹣80℃冰箱中保存。待所有样

本完成收集后送至测序公司，在IlluminaNovaseq6000测序平台进行PE

150测序。

3.宏基因组测序数据处理：将从NCBI数据库下载的肠道宏基因组

数据，合并不同数据库数据作为一个统一数据集。将用于法医学评估的

肠道宏基因组数据作为一个验证数据集。经质量评估、质量控制去除低

质量序列。经物种注释获得物种组成与丰度信息。经参考基因组比对后，

查找SNP并计算每个样本包含SNP数量。

4.生物信息学分析：所有的统计分析均在Python及R软件平台上进

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行。使用Python软件计算每个样本中全部contig总的SNP密度及每个c

ontig的SNP密度；使用R软件获得基于物种的相对丰度和contig的SN

P密度并进行样本α多样性和β多样性分析；使用stamp分析比较每个研

究组中物种的相对丰度和基因的SNP密度；利用随机森林机器学习方法

构建预测模型。

结果：

1.在肠道微生物物种水平，体重不足组的α多样性表现出高于其他

BMI组，但没有统计学意义；在肠道微生物基因水平，超重组显示出明

显高于其他BMI组的α多样性，具有统计学意义。

2.无论是物种水平还是基因水平，PCoA结果显示三个BMI组之间

均能明显区分，β多样性具有显著差异。

3.三个BMI组之间19个物种的相对丰度具有显著差异，在基因水

平上732个contig的SNP密度具有显著差异。

4.肠道微生物物种水平：根据31个最重要物种建立的BMI预测模

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型，模型R为0.56，MAE为2.09kg/m；基于44个物种指标预测体型

的准确率为80.65%。肠道微生物基因水平：根据62个贡献最大的contig

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建立的BMI预测模型，模型R为0.72，MAE为1.56kg/m；根据44个

contig建立的体型预测模型，93.55%的研究参与者被正确预测。

5.BMI预测模型中62个最佳contig应用于法医学评估，预测30名

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研究参与