引言
肠道和口腔腔容纳了人体内多样性最高的两个微生物组。它们对人类的重要性，包括对代谢、免疫和各种疾病的影响，已得到充分证实，微生物组作为临床治疗靶点的潜力日益增长。然而，通过关注单个微生物组的分类和功能组成，宏基因组研究主要将我们的微生物群落视为孤立的实体。这种方法忽视了新兴证据，即微生物组在其构成基本单元——微生物菌株——方面，不断通过人与人之间的互动进行（重新）塑造。
在出生期间及之后不久的母体微生物自然接种后，与任何邻近个体的互动中的微生物组传输被认为是微生物组组装和动态的关键驱动因素。在这方面，作为人类互动的一种普遍且持续的形式，共同居住已获得初步研究关注。当前研究发现，在不同人群和生活方式（即西方化与非西方化）中，生活在同一家庭中的人比非共同居住者共享更多菌株，共同居住时间与菌株共享率呈正相关。然而，尽管它们的环境条件、解剖结构和微生物组成差异很大，关于每个身体部位微生物组传输的具体原则知之甚少，对口腔与肠道微生物组传输模式的比较理解仍然缺乏。此外，虽然口腔微生物不断被吞咽，但它们在个体内部向肠道的传输尚未完全理解，因为大多数报告（除少数例外）缺乏准确定位这些事件所需的菌株水平分辨率。
在本研究中，通过利用同一健康个体的配对口腔和粪便宏基因组，我们评估了具有密切家庭关系并共享生活空间的个体的口腔和肠道微生物组传输模式和动态。方法上，这得益于我们基于微生物组菌株在无关个体间独特性的菌株解析计算方法，将菌株共现推断为微生物组传输的证据。在对家庭内口腔和肠道微生物组传输进行多队列表征后，我们比较了不同家庭关系类型（如兄弟姐妹或伴侣）间口腔和肠道微生物组的菌株传输和替换率，并提供了口腔到肠道传输的菌株水平景观。
结果
为了分析和比较共同居住个体间口腔与肠道微生物组菌株共享的程度，我们利用了一个公开的宏基因组数据集（BritoIL_2019，n个体=253，n样本=377）和两个新测序的宏基因组队列（CM_MTB，n个体=74，n样本=335；CM_MTC，n个体=103，n样本=176；见STAR方法）。在所有这些研究中，都提供了口腔和肠道宏基因组样本，总共考虑了207个家庭（图1A）。
除了个体间微生物组菌株共享，我们还评估了个体内部口腔和肠道微生物组之间的微生物菌株重叠。为此，我们进一步考虑了四个具有来自总共378名健康个体的匹配口腔和粪便样本的公开宏基因组数据集（HMP_2012，n个体=86，n样本=172；FerrettiP_2018，n个体=20，n样本=40；NagataN_2022，n个体=235，n样本=470；以及KartalE_2022，n个体=37，n样本=74；图1A）。
菌株共享事件的识别是一项需要准确定位菌株特异性遗传特征以及定义菌株身份的稳健方法的任务。在这里，我们采用了一种经过验证的流程，我们通过额外的纵向数据集进行了扩展，以微调菌株定义。简而言之，该流程为所有在宏基因组中出现的物种水平基因组bin（SGBs；微生物物种的基于基因组的定义）构建StrainPhlAn 4系统发育树，然后定义SGB特异性相同菌株阈值，最后评估同一SGB系统发育树中两个菌株之间的系统发育距离是否低于相同菌株阈值。SGB特异性相同菌株阈值的操作定义是通过计算个体间和个体内（使用纵向样本）同种菌株的系统发育距离分布来完成的，假设在时间上接近（<6个月）的个体内纵向样本中，相同菌株在大多数情况下被观察到。为此，我们将>3,000个纵向宏基因组（来自20个公开的宏基因组数据集，跨越>1,000个个体；见STAR方法）纳入系统发育树（图1A）。最后，定义相同菌株阈值为最佳区分两个分布的系统发育距离（见STAR方法），从而列出我们在研究中评估的所有样本对之间的菌株共享事件。考虑到家庭（n=3）和口腔到肠道（n=4）数据集，这使我们能够评估986个SGBs在808个个体的1,644个样本中的菌株共享模式（图1A；表S1）。
确认共同居住个体间广泛的肠道和口腔微生物组菌株共享
对于考虑的三个家庭数据集中的每一个，我们验证并证实了先前报告的共同居住个体间肠道和口腔微生物组菌株共享增加。BritoIL_2019数据集是唯一部分例外，因为在该数据集中，同一家庭内的口腔微生物组共享与不同家庭相比没有显著增加。这可能是由于该数据集中可用于此度量的家庭内口腔微生物组SSRs数量非常少（n=6），因为此度量仅针对在两个样本中共同检测到≥10个SGBs的配对定义（见STAR方法）。实际上，当比较共享菌株数量（而不考虑共同检测到的SGBs数量）而非SSRs时，在BritoIL_2019中也可以检测到家庭内口腔微生物组菌株共享增加（Mann-Whitney U检验，n=15,766，U=1,454,982，p=0.017）。将所有数据集合并后，我们发现共同居住者中位肠道微生物组SSR为19.0%（而居住在不同家庭的个体为6.0%；Mann-Whitney U检验，n=17,776，U=490,405，p<1e−20；图1B），口腔微生物组SSR为25.8%（而居住在不同家庭的个体为0%；Mann-Whitney U检验，n=3,919，U=15,758，p<1e−20；图1C）。当考虑家庭中存在的不同关系类型（例如兄弟姐妹或伴侣）时，这一结果也适用于肠道和口腔微生物组。
与先前观察一致并符合预期的菌株传输动态，居住在不同家庭但来自同一数据集/队列的个体经常具有非零SSR（83.8%的肠道配对和44.5%的口腔配对）。这意味着共享至少一个菌株并不少见，这可能归因于他们是同一人群的一部分（BritoIL_2019中的斐济南瓦莱武；CM_MTB中的意大利特伦托；CM_MTC中的意大利拉齐奥），因此通过共享空间和/或未追踪的互动有增加的共同获取可能性。这一假设得到了以下观察的支持：这种菌株共享方式明显高于在不同数据集之间观察到的情况（图1A；表S4），后者很少共享菌株（不同数据集中的25.2%肠道配对和22.8%口腔配对；不同研究和国家中的8.7%肠道配对和17.7%口腔配对），转化为不同人群中的无关个体之间中位0%的肠道和口腔微生物组SSR。
就共享菌株数量而言（仍然仅考虑在两个个体中共同检测到≥10个SGBs的配对），来自不同数据集的个体平均共享0.3个口腔和0.5个粪便菌株，来自同一数据集中不同家庭的个体平均共享0.8个口腔和2.4个粪便菌株，而来自同一家庭的个体平均共享8.8个口腔和10.6个粪便菌株（图S1C）。这些模式通过替代的菌株共享推断方法SameStr得到了广泛证实，我们的StrainPhlAn 4方法在识别共同居住者和同域个体之间的菌株共享事件方面略优于SameStr。
口腔菌株比肠道菌株更广泛共享且纵向保留较少
如先前假设的那样，伴侣可能具有高于其他共同居住个体对的口腔微生物组SSRs，我们着手测试特定关系类型是否与不同的SSRs相关。虽然共同居住的伴侣、兄弟姐妹、母亲-后代和父亲-后代之间的肠道微生物组共享部分相当（它们之间没有显著的SSR差异；图1D；表S5），但伴侣表现出明显更高的口腔微生物组SSRs（图1D；表S5）。有趣的是，伴侣也是唯一具有差异性（增加的）口腔与肠道微生物组菌株共享的关系类型（中位口腔44.4%对肠道19.5% SSR；Mann-Whitney U检验，n=77，U=261，p=3.4e−4；图1D），我们在配对分析中确认了这一点（仅包括口腔和肠道微生物组SSRs均可获得的受试者对；Wilcoxon符号秩检验，n=20对，T=38，p=0.011；图1E）。重要的是，对于口腔与肠道SGBs（n=986，SGBs根据它们更频繁检测到的身体部位分类为口腔或肠道）的估计菌株共享假阳性率（FPRs）相当（口腔SGBs中位菌株共享FPR为3.02%，肠道为3.03%；Mann-Whitney U检验，n=986，U=73,233，p=0.25；图S1G），证实发现口腔微生物组传输大于肠道最可能不是技术假象。总之，这些结果不仅证实共同居住是所有关系类型中菌株共享的有力驱动因素，还表明在浪漫伴侣中，口腔比肠道微生物组菌株共享更为广泛。
由于伴侣中口腔与肠道微生物组传输更高表明菌株交换与更直接的环境可及性相关，我们假设在个体内部，菌株替换在口腔腔中更为突出。为了评估这一点，我们利用了CM_MTB的纵向设计，该设计包括66名健康成人（37名女性和29名男性），在约3.5个月的时间内采样三次（见STAR方法），以比较肠道和口腔微生物组之间的菌株替换率（定义为1减去纵向SSR）（见STAR方法）。在受试者配对后，我们发现口腔微生物组菌株通常比肠道菌株显著更频繁地纵向替换（中位口腔14.7%对肠道5.8%菌株替换率；Wilcoxon符号秩检验，n=41，T=117，p=1.6e−5；图1F），这在单独分析女性（18.2%对6.0%肠道菌株替换率；Wilcoxon符号秩检验，n=23，T=27，p=1.8e−4；图1F）和男性（8.2%对5.3%；Wilcoxon符号秩检验，n=18，T=40，p=0.048；图1F）或在去除在时间点之间接受抗生素治疗的个体（n=6）后也观察到。由于我们的菌株共享推断方法基于假设大多数菌株在外部纵向数据集的个体中纵向保留来估计假阴性率（FNRs），观察到的口腔与肠道SGBs之间略高的FNR进一步间接证实了口腔腔中比肠道发生更强烈的菌株替换（口腔SGBs中位菌株共享FNR为3.57%，肠道为0%；Mann-Whitney U检验，n=986，U=54,958，p=0.014；图S1H）。然而，在SGB水平上，这种效应无法观察到（口腔0.41中位对肠道0.39 Bray-Curtis组成变化；Wilcoxon符号秩检验，n=41，T=408，p=0.78；图1G和图S1I），说明健康的口腔和肠道微生物组可以具有同样稳定的物种水平配置，但在口腔腔中具有更强烈的（主要）菌株替换动态。
肠道微生物组可传输性与心脏代谢健康关联相关
然后，我们估计了每个SGB在家庭设置中的一般可传输性分数（TS；见STAR方法）（即无论关系类型）以及更具体地跨特定关系类型（例如伴侣之间）。在计算出家庭TS的197个肠道SGBs中，27个被归类为具有高可传输性（肠道TS>⅓，即对于每三个共享SGB的共同居住个体对，平均而言，超过一对共享相同菌株，并且家庭中的TS显著高于人群；图2A；表S6）。这些高传输SGBs包括产甲烷菌甲烷短杆菌（SGB714；家庭TS=0.42）、GABA消费者Eubacterium siraeum（SGB15120；家庭TS=0.36）和GABA生产者青春双歧杆菌（SGB17244；家庭TS=0.35）。这份在家庭中高传输的SGBs列表与先前的家庭肠道微生物组可传输性估计相当吻合。尽管本研究中报告的27个高肠道TS SGBs中有6个在先前研究中不可用传输性值（由于评估的不同人群和使用较旧版本的SGB数据库的组合），但我们发现剩余21个SGBs中有11个也是先前研究中顶级传输SGBs（TS>⅓）之一。
为了评估肠道SGBs特性与其可传输性之间的关联，我们使用Traitar推断其表型，并比较具有和不具有每个表型的SGBs之间的家庭TSs（表S7；见STAR方法）。我们发现家庭可传输性与革兰氏阴性呈正相关，如先前报道并假设与对消毒剂的抗性有关。可传输性也与Voges-Proskauer测试呈阳性显著相关，这表明产生中性pH代谢终产物如2,3-丁二醇，可稳定环境pH，通过防止生态位酸化促进长期生存，并与将鸟氨酸脱羧为腐胺的能力相关，这一过程通过酸胁迫抗性增强细菌适应性，因此可能促进通过宿主胃屏障的生存。沃氏沃氏菌（SGB9283）是本研究中共同居住者中第八个最具传输性的物种（家庭TS=0.55），是唯一显示与可传输性显著相关的三个特征的肠道物种。
我们还评估了ZOE MB健康等级。我们观察到具有高家庭TS的肠道SGBs通常是与较差心脏代谢健康相关的病原共生体（图2A）。唯一值得注意的例外是健康相关（ZOE MB健康等级=0.13）的未知梭菌（SGB15106），也是这些高传输肠道微生物组成员中唯一待表征的SGB。此外，当将关联分析扩展到所有126个具有ZOE MB健康等级和肠道家庭TS的SGBs时，我们发现具有高TS（TS>⅓）的SGBs显著具有更高的等级（即与较差的心脏代谢健康相关）比具有低TS（TS<⅙，无论其人群可传输性；Mann-Whitney U，n=60，U=233，p=0.006；图2B）和具有中等TS（⅙≤TS≤⅓，无论其人群可传输性；Mann-Whitney U，n=87，U=453，p=0.018；图2B）的SGBs，这在特定关系类型中也是一致的——尽管噪声更大（图S2A）。
我们通过将肠道微生物组可传输性与疾病关联荟萃分析中的生物标志物SGBs关联起来，进一步评估了肠道微生物组可传输性与健康之间的关系。我们首先利用了最近发表的关于结直肠癌（CRC）与健康匹配对照的肠道微生物组的荟萃分析，分析了47个显著（q<0.1）的生物标志物SGBs，这些SGBs具有可用的家庭TSs。当将富集方向（即在CRC或对照中富集）与家庭TS类别（即低、中或高）关联时，我们发现可传输性与CRC/对照富集之间没有显著关联（Fisher-Freeman-Halton检验，p=0.45）。值得注意的是，三个高家庭可传输性SGBs是显著的CRC富集生物标志物，包括黏蛋白阿克曼菌（SGB9226），而霍氏厌氧丁酸弧菌（SGB4532）在对照中显著富集（图2A）。
接下来，为了评估可传输性与心脏代谢疾病之间的联系，我们在2型糖尿病（T2D）的背景下进行了类似的荟萃分析（见STAR方法）。在99个显著（q<0.1）生物标志物中，T2D富集SGBs（n=15）在高可传输性类别中显著过度代表（7个显著SGBs中有5个；71%），而中等（62个显著SGBs中有8个；13%）和低（30个显著SGBs中有2个；7%）可传输性类别（Fisher-Freeman-Halton检验，p=3.0e−4）。T2D富集SGBs包括肠道塞利蒙纳斯菌（SGB4617），这是与高传输性SGBs中最强烈关联较差心脏代谢健康的物种（ZOE MB健康等级=0.93）；相反，之前强调与良好心脏代谢健康强烈关联的未知梭菌（SGB15106）在对照中富集。尽管与心脏代谢健康指标呈负相关（ZOE MB健康等级=0.69），但霍氏厌氧丁酸弧菌（SGB4532）如在CRC荟萃分析中观察到的，在对照中显著富集，表明高可传输性的含义可能是多方面的且依赖于上下文，尽管因果关系仍有待确定。
高传输口腔物种中的机会性病原体和结直肠癌标记物
我们还为51个口腔SGBs计算了家庭可传输性，其中20个被归类为具有高可传输性（图2C；表S8）。有趣的是，口腔微生物组中具有高可传输性的SGBs比例显著大于肠道微生物组（口腔微生物组中41.2%高传输SGBs对肠道中13.7%；Pearson的卡方检验，n=248，χ²=17.9，p=2.4e−05），与先前报道的口腔微生物组更高可传输性一致（图1D和1E）。唯一一个在口腔和肠道微生物组中计算出家庭TS的SGB（这取决于环境中重建的菌株数量足够多；见STAR方法）是口腔共生菌唾液链球菌（SGB8007_group），尽管其在口腔腔中具有更高的流行率（97.8%口腔对80.7%肠道流行率），但显示肠道菌株的可传输性更高（口腔TS=0.20对肠道TS=0.35），尽管不显著（Pearson的卡方检验，n=105，χ²=2.57，p=0.11）。
尽管没有微生物表型与口腔微生物组可传输性显著相关（表S9），并且尽管心脏代谢健康等级对口腔物种不可用，但我们注意到几种机会性病原体在最传输的口腔SGBs中，包括Haemophilus sputorum（SGB9631_group；家庭TS=0.57）、牙龈鞘氨醇单胞菌（SGB17169；家庭TS=0.45）、龋齿链球菌（SGB97158；家庭TS=0.40）和格拉文尼茨放线菌（SGB17130_group；家庭TS=0.35）。与几种口腔物种在CRC患者肠道微生物组中富集一致，高传输口腔SGBs列表还包括两个CRC富集肠道生物标志物（微小球菌Megasphaera micronuciformis [SGB5868]和未知消化链球菌[Peptostreptococcus] [SGB749]；图2C）。
口腔-肠道微生物组重叠主要是由于口腔到肠道的传输
接下来，我们考虑匹配的口腔和粪便样本来评估个体内部口腔和肠道微生物组之间的重叠。为此，除了先前描述的三个数据集中具有匹配肠道和口腔微生物组的个体外，我们还评估了来自四个额外研究的具有匹配粪便和口腔样本的健康个体，结果总共得到644个具有足够测序深度的口腔-肠道对（见STAR方法）。
分析MetaPhlAn 4分类谱，我们识别出在口腔样本中存在814个SGBs，在粪便样本中存在2,659个SGBs，这些SGBs至少在两个个体中存在。只有4%（n=127）的总SGBs在两个身体部位中检测到的流行率>1%（即>6个个体），对于这些SGBs，我们注意到口腔腔中更高的流行率（n=103，81.1%；图3A）。考虑到匹配的口腔-肠道对，我们发现中位7个SGBs（范围：0-82）可以在两个身体部位中检测到，而中位140个SGBs（13-365）仅在口腔腔中检测到（或中位口腔腔丰富度的93.96%），中位195个SGBs（34-765）仅在粪便中检测到（或中位肠道丰富度的95.12%）。通过考虑每个身体部位中这些SGBs的丰度以更好地把握它们在每个身体部位的相对重要性，我们发现重叠SGBs的累积相对丰度在口腔腔中高得多（中位口腔17.8%对0.4%中位肠道；Wilcoxon符号秩检验，n=644个个体，T=12,586，p<1e−20；图3B），只有6.1%（n=39）的受试者在粪便中显示重叠SGBs的更高丰度。
我们还发现，在两个身体部位中检测到的SGBs在口腔腔中具有更高的相对丰度等级（RAR）（在两个身体部位中检测到时口腔腔中位RAR为26，仅在口腔时为83；Mann-Whitney U，n=101,272，U=1,479,521,166，p<1e−20；图3C），但在粪便中比仅在肠道中的SGBs更低（在两个身体部位中检测到时粪便中位RAR为145，仅在肠道时为122；Mann-Whitney U，n=151,324，U=493,105,919，p<1e−20；图3D）。这表明在两个环境中检测到的SGBs在口腔腔中属于最丰富的，在粪便中属于最不丰富的。总之，这些结果强烈提示唾液介导的口腔到肠道传输是观察到的重叠的主要因素，但需要菌株水平分辨率来确认这一假设。
口腔物种在肠道中主要包括口腔来源的菌株但也包括肠道特异性菌株
然后，我们使用我们的菌株共享推断框架来评估SGB共享在口腔腔和肠道之间是菌株共享的结果的情况。我们能够在4.3%的6,161个单个口腔-肠道SGB重叠检测案例中重建两个身体部位中菌株的遗传特征。实际上，在个体水平上，菌株水平重建的重叠SGBs数量范围在0到7之间，尽管基于SGB水平数据，这一范围在0到82个重叠SGBs之间，反映了菌株和物种水平谱图所需的覆盖要求不同。在267个在两个身体部位中重建了同种菌株的案例中，74.5%（n=199）存在相同菌株，每个个体检测到的转移到肠道的口腔菌株数量范围在0到6之间（平均1.22），可能是由于覆盖有限导致的低估。
为了更好地评估这一点，我们分析了在肠道中检测到的口腔特征SGBs数量（见STAR方法）如何与在口腔腔和粪便之间发现的共同菌株数量相关。我们发现它们强烈正相关（事后Dunn，p≤0.013；图3E；表S10），每检测到一个新的口腔菌株，肠道中平均检测到七个口腔特征SGBs，表明在SGB水平上观察到的更大重叠如果达到粪便中低丰度SGBs的足够覆盖，可能在菌株水平上得到确认。
与在SGB水平上观察到的类似（图3C），在肠道中也检测到的口腔菌株通常在口腔腔中比口腔菌株更丰富，后者在肠道中检测到不同的同种菌株（模式=第1位，计数=27）（相同菌株中位RAR为5，不同菌株为7；Mann-Whitney U，n=267，U=8,063，p=0.018；图3F）。这些转移的口腔菌株在肠道中比与口腔菌株同种但不同的肠道菌株具有略低的RAR，尽管不显著（相同菌株中位RAR为24，不同菌株为23；Mann-Whitney U，n=267，U=6,259，p=0.36；图3G）。考虑到微生物组丰度估计取决于所研究人群的微生物组多样性并受批次效应影响，我们通过荟萃分析（n=6个数据集）直接在菌株相对丰度上（而不是RARs）进一步调查了这种关联。具体来说，我们比较了基于在另一个身体部位是否检测到相同菌株或同一SGB的不同菌株，菌株在给定身体部位的丰度。同样，我们发现口腔腔中在粪便中也检测到的菌株丰度更高（与在粪便中未检测到但在肠道中存在不同同种菌株的口腔菌株相比）（Hedges' g=0.30，p=0.037；图3H；表S11）以及在肠道中在口腔腔中也检测到的菌株丰度更低（与在口腔腔中未检测到但在口腔中存在不同同种菌株的肠道菌株相比）（Hedges' g=-0.29，p=0.047；图3H；表S11）。后者也意味着，在口腔-肠道共享SGBs中，肠道特异性菌株在粪便中的丰度高于口腔-肠道共享菌株。
总体而言，我们的数据支持在粪便中观察到的口腔共生菌主要是由于口腔到肠道菌株传输，而不是在每个身体部位中独立获取生态位特异性菌株，高丰度口腔菌株是达到可检测水平到达肠道的菌株。同时，不同的同种菌株偶尔可以在每个身体部位中找到，在粪便中这些菌株的丰度高于口腔到肠道传输的菌株。
口腔物种具有在肠道环境中建立的菌株的证据
总体而言，我们能够为22个不同的SGBs在匹配的口腔-粪便样本中重建同种菌株。由于其在两个身体部位中相对更高的丰度，最频繁的是唾液链球菌（SGB8007_group），从138个个体的口腔和粪便样本中重建，其中68%在两个身体部位中显示相同的唾液链球菌菌株（图4A）。这个百分比——类似于SGB个体间TS，可以解释为SGB个体内口腔到肠道TS（OGS）——仅对在大量个体中（≥10）在两个身体部位中重建菌株的SGBs有意义，范围在0.68到0.93之间，适用于计算此分数的四个SGBs。令人惊讶的是，其中只有两个在最家庭传输的SGBs（TS>⅓；图2A-2C）中：微小韦荣球菌（SGB6939）在口腔微生物组中（口腔TS=0.59；图2C）和唾液链球菌（SGB8007_group）在肠道微生物组中（肠道TS=0.36；图2A）。高口腔到肠道传输（OGS=0.89）的血链球菌（SGB8071）具有最低（51个口腔SGBs中）计算的家庭TS（口腔TS=0.13），表明对于给定SGB的高口腔到肠道传输概率可能与个体间SGB可传输性无关。
尽管与口腔腔相比，肠道中微生物组多样性更高，导致更多低相对丰度微生物（图S3A和S3B），但在267个案例中有32个案例中，给定SGB的肠道菌株比其口腔对应物具有更高的相对丰度（图4A）。有趣的是，当口腔腔和粪便中存在不同的同种菌株时，这种情况更常发生（50.0%不同对22.1%相同菌株；Pearson的卡方检验，n=267，χ²=10.1，p=0.001）。即使在过滤掉与两个在粪便中更高流行率的SGBs相关的观察后（SGB17248和SGB17234；图4A），这种关联仍然具有统计学意义（Pearson的卡方检验，n=261，χ²=7.2，p=0.007）。综合来看，作为它们在肠道环境中建立的证明，与同一SGB的不同口腔菌株在同一个人中的肠道菌株不仅在丰度上高于口腔到肠道传输的菌株（图3H），而且通常比其口腔对应物具有更高的丰度，即使在仅考虑典型口腔SGBs时也是如此。
长双歧杆菌亚种nexti的口腔特异性鉴定
在口腔-肠道重叠涉及的22个SGBs中（图4A），还有一些SGBs在两个身体部位中发现相同菌株的情况很少见，如长双歧杆菌（SGB17248）的情况更好地证明了这一点。这个SGB是在22个SGBs中唯一在粪便中（9.2%口腔对73.8%肠道流行率）显著更高（>8倍）的，尽管在最家庭传输的肠道SGBs中（肠道TS=0.43；图2A），但在五个案例中，从未在两个身体部位中作为相同菌株出现。由于这一观察可能与每个身体部位栖息的不同长双歧杆菌亚种的存在有关，我们将这里重建的长双歧杆菌菌株与从其他公开可用的口腔和食品宏基因组样本中重建的长双歧杆菌菌株以及每个先前描述的长双歧杆菌亚种的参考基因组进行了上下文化（见STAR方法）。这些包括基础亚种longum、infantis和suis；后来描述的亚种suillum和iuvenis；以及最近提出的亚种nexti。
系统发育分析证实了长双歧杆菌的口腔和肠道菌株落入明确区别的分支（图4B）。此外，我们发现所有肠道菌株（以及记录的食品来源菌株）都属于长双歧杆菌亚种longum簇（除了一个更接近长双歧杆菌亚种suis的肠道菌株），而口腔菌株似乎构成了它们自己的亚种，与暂定命名的长双歧杆菌亚种nexti的基因组聚类。由于StrainPhlAn 4依赖于SGB特异性标记基因，我们通过评估从相同样本或从人类参考口腔微生物组（HROM）数据库检索的全长双歧杆菌基因组之间的平均核苷酸同一性来进一步验证这种口腔相关亚种的存在（见STAR方法）。这项分析，涵盖了来自五个国家三个大陆的八个口腔宏基因组数据集，揭示了在系统发育中观察到的相同亚种结构，包括口腔特异性分支的清晰存在（图S4）。总之，我们的数据表明最近提出的长双歧杆菌亚种nexti是一种表征不足的口腔栖息长双歧杆菌亚种。
个体间口腔-肠道传输可检测且通常由个体内口腔到肠道传输介导
最后，在分别探索了肠道和口腔微生物组的传输景观并描述了健康状态下口腔到肠道菌株传输的程度后，我们分析了是否也可能在不同身体部位之间发生家庭内传输，这是通过识别存在于家庭成员口腔腔和另一家庭成员粪便中的菌株来完成的。总体而言，我们发现这种菌株共享的非常少的例子（n=33总事件，1.2%的同家庭个体间菌株共享事件），但显著多于偶然，如由共同居住个体在具有菌株水平重建SGBs的共同身体部位中检测到相同菌株的次数比例高于非共同居住个体所证明的（22.8%同家庭对3.4%不同家庭；Pearson的卡方检验，n=11,381，χ²=113.9，p<1e−20；图4C；表S12）。
然后，我们评估了个体间口腔-肠道菌株共享是否仅仅是由于口腔微生物组传输后在受体中的口腔到肠道传输，或者是否也存在直接的个体间口腔到肠道传输（即在受体中没有稳定定植口腔腔）。为了评估这一假设，我们寻找涉及33个口腔-肠道菌株共享事件中相同对个体的口腔微生物组共享。在26对具有两个个体口腔样本的对中，我们在23个案例中成功地在两个个体的口腔腔中重建了菌株（在剩余的3个案例中，SGB仍然被检测到，但没有足够的覆盖来进行菌株重建）。在大多数案例中（18/23），我们可以检测到口腔微生物组菌株共享事件，支持一个模型，即个体间口腔微生物组传输后跟随着受体中个体内口腔到肠道传输，以解释共同居住个体之间的口腔-肠道菌株共享事件（图4D）。
然而，这也意味着直接的口腔到肠道（或肠道到口腔）菌株传输是可检测的，有5/23个案例中，口腔菌株与粪便共享，但与另一个个体的口腔腔不共享，后者含有不同的同种菌株（图4D）。具体来说，我们在CM_MTB中发现两对夫妇，其中微小韦荣球菌（SGB6936）的一个菌株在一个案例中和小韦荣球菌（SGB6952）在另一个案例中在一名参与者的口腔腔中被发现，并在他们伴侣的粪便中被发现，后者在口腔腔中含有不同的同种菌株。我们还在CM_MTC中识别出一个长双歧杆菌（SGB8007_group）菌株，在一名18岁女性（或她50岁的父亲）的口腔腔和她16岁兄弟的粪便（但不是口腔腔，其中含有不同的同种菌株）之间共享。在CM_MTC中，相同的情况也在7岁女性双胞胎之间观察到，这种情况除了口腔-肠道共享外，还显示相同微小韦荣球菌（SGB6939）菌株的肠道-肠道共享，尽管其中一个双胞胎的口腔腔中含有不同的同种菌株。由于涉及的所有SGBs通常是口腔的，解释这些事件的合理模型是，口腔菌株被转移到另一个个体的口腔腔，但由于先前存在占据相同生态位的不同同种菌株而未能定植该环境，但随后在受体的肠道中定植。
讨论
在本研究中，我们调查了共享家庭的个体中口腔和肠道微生物组的传输模式。如先前使用独立的口腔和肠道微生物组数据集所观察到的，我们确认了共同居住个体中较高的口腔和肠道微生物组SSRs。我们独特的研究设计，使用来自相同共同居住者的口腔和肠道样本，使我们能够进一步揭示浪漫伴侣中口腔与肠道微生物组相比的更高可传输性，他们也表现出比其他关系类型更高的口腔微生物组可传输性。如先前提出的，这些观察结果表明，由于亲密接吻习惯导致的唾液交换是塑造健康口腔微生物组的关键因素，除了它们作为病原体传播模式的臭名昭著的作用外。因此，由于接吻是古代和普遍的人类习惯，它在整个历史中广泛辩论的生物学影响，如通过化学线索或作为性唤起的促进剂进行的伴侣配对，还包括可能对口腔微生物组的发展和进化产生深远影响。
口腔微生物组也显示出比肠道微生物组更强烈的菌株替换动态，尽管物种水平稳定性相似。类似的物种水平稳定性可以用两个身体部位中生态位的维持来解释，因为在分析的时间点之间，研究中的志愿者通常没有经历主要的生活方式改变，如饮食转变或抗生素使用。更高的菌株替换动态（以及口腔微生物组的更高可传输性）可能由口腔腔暴露于环境和相应的口腔微生物组成员比肠道微生物更高的耐氧性来解释，这使得竞争性菌株的更持续流入成为可能。这种对可用生态位的频繁竞争可能与在肠道中观察到的情况相反，在那里，取代驻留菌株需要克服艰巨的任务，即在有氧条件下存活并通过胃屏障到达厌氧肠道环境。
到达肠道并定植生态位对与有利心脏代谢标记相关的肠道微生物组物种来说可能是更大的挑战，因为我们证明它们通常不是人际间传输最多的。这些在家庭中高度传输的物种列表，与我们先前报告的一致，主要是由与T2D和更普遍与心脏代谢健康呈负相关的肠道微生物组成员富集的。这一观察结果提出了一个问题，即与病原体类似，与特定疾病相关的微生物组物种是否具有有效传播的特殊机制或接收较少的定植抵抗。如果是这样，旨在促进有益物种定植的微生物组调节策略将不得不考虑到它们在定植导致可传输性方面的潜在固有劣势。
我们独特的具有配对口腔和粪便宏基因组的家庭数据集进一步由具有此特征的额外队列增强，使我们能够提供健康状态下口腔-肠道微生物重叠的菌株水平景观。我们发现配对的口腔和肠道微生物组之间重叠很少（4%的共同物种），但我们注意到，在共同存在的物种的少数案例中，四分之三的案例中两个身体部位存在相同菌株，与先前估计相当相似。重要的是，分析每个身体部位的物种流行率和菌株丰度证实，在口腔腔和肠道中检测到的相同微生物组物种可以主要由唾液介导的转移解释，而不是其他个体内传输模式（例如粪口途径或血液转移）。这一观察结果特别相关，因为口腔-肠道微生物组连接的研究获得了关注，最近的一个例子是在CRC的顶级肠道微生物组标记物中发现几种口腔物种。实际上，尽管我们的研究集中在健康受试者上，旨在为该现象提供基线估计，但在疾病期间预计会出现更高水平的真实或感知（由于肠道微生物绝对丰度较低）口腔到肠道微生物组转移，可能由于胃（与药物使用相关）和生态（与口腔/肠道微生物组失调相关）屏障受损。
这一趋势的一个显著例外涉及长双歧杆菌，一种在两个身体部位中检测到但从未作为相同菌株的物种。令人惊讶的是，我们发现这是因为每个身体部位中存在不同的长双歧杆菌亚种。虽然长双歧杆菌亚种longum如预期在肠道中被发现，但最近提出的长双歧杆菌亚种nexti（也描述为长双歧杆菌亚种X/leicesterensis），尽管最初从婴儿粪便中分离出来，似乎对口腔腔具有特殊趋向性（与先前描述的在非肠道环境中的富集一致），使其成为人类居住的长双歧杆菌亚种中的第一个。鉴于其低流行率（9.2%）和非常低的丰度（存在时中位0.03%相对丰度），这一亚种可能在先前的调查中一直难以捉摸，需要高测序深度，如ManghiP_2024数据集，才能检测到。长双歧杆菌亚种nexti的情况，加上口腔典型物种的肠道特异性菌株的鉴定，强调了菌株共享分析超越了微生物组传输的映射。共享模式立即突出了可能约束或促进微生物传播的功能遗传适应的潜在存在。表征这种生态位特异性的驱动因素，如使长双歧杆菌亚种nexti能够在口腔腔中定植的功能特性，应该是未来调查的目标。这些努力可能会受益于宏基因组调查和基于培养的功能分析的整合，这种方法在定义具核梭杆菌亚种从口腔到CRC转变的遗传基础方面已被证明是成功的。
除了口腔到肠道菌株传输外，我们还首次发现了共同居住个体之间口腔-肠道菌株共享的证据。这通常（至少78%的案例）可以通过个体间口腔微生物组传输后跟随着个体内口腔到肠道传输来解释，但我们还发现了传输的菌株可以在不以可检测水平定植其原始生态位的情况下定植另一个个体的不同身体部位的迹象。这种通过口腔腔而不进行可检测定植，随后在肠道中定植和扩增的途径，是可能在肠道微生物组菌株传输背后机制的说明。
总之，我们对家庭中微生物组传输的菌株水平调查证实了先前的观察结果，并为人类微生物组的个体内和个体间连通性提供了进一步的见解。我们描述了共同居住，特别是当存在密切的人际接触时，影响肠道和口腔微生物组组成和动态的程度。与人类微生物组传输可能直接影响宿主健康的假设一致，我们还揭示了微生物组可传输性与心脏代谢风险之间的联系。此外，我们以前所未有的分辨率研究了口腔-肠道菌株共享，确认了唾液在介导口腔到肠道传输中的主要作用，并揭示了长双歧杆菌亚种nexti的口腔趋向性。总体而言，我们的发现描绘了高分辨率菌株共享分析在建立理解人类互动和微生物特征如何共同决定微生物组传输及其对人类健康后果的框架方面的力量。
研究的局限性
尽管菌株共享和菌株传输是两个直接相关的现象，但在没有非常密集的纵向采样微生物组的情况下，通常不可能将两个个体之间的菌株共享与它们之间的直接传输区分开来，更不用说推断传输方向性了。此外，类似于大多数菌株水平宏基因组调查，我们的方法只能识别给定宏基因组样本中每个微生物组物种的最丰富菌株，如前所述。尽管大多数人类微生物组物种预计以单菌株种群存在，但我们可能已经错过了亚主导菌株传输的案例，这意味着共同居住者之间的SSRs可能甚至更高。最后，尽管我们从分析中排除了婴儿和幼儿（年龄<2岁），以专注于水平传输（定义为出生期间和之后不久发生的从母亲到婴儿的传输），但在我们研究中剩余的同家庭对中，许多是母亲-后代类型（25.7%，尽管总共10.5%涉及母亲和年龄<12岁的儿童），在这种情况下，很难区分早期生活获取自母亲后长期保留（预计会很广泛）与后来生活中的家庭传输。尽管如此，我们强调，我们同家庭参与者对的大多数（78%）不涉及儿童，即使在排除伴侣后（61%），表明在伴侣与其他关系类型之间观察到的差异传输模式不太可能由年龄结构驱动。
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