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肝硬化是一种慢性疾病,在疾病发生早期,肝硬化患者和健康人的肝功能无显著差异或者差异较小。伴随着静脉曲张,肝性脑病,腹水等并发症的产生,病情转入肝硬化失代偿期,最终导致终末期肝病。研究表明,肝脏的病变和肠道菌群变化密切相关。肠道菌群的紊乱和移位,会刺激炎症因子和炎症的发生,继而诱发肝性脑病,败血症等并发症。同时,肝硬化患者胆汁酸的分泌以及进入小肠的胆汁都会减少,继而影响肠道菌群的组成。既往的研究发现,肝硬化病人和健康人的肠道菌群组成明显不同,患者的肠杆菌科,韦荣球菌科等明显增加,毛螺菌科细菌比例明显下降,而且大部分的病原菌源自上消化道。同时发现肠道菌群中氨气合成功能基因表达较高,又会加重肝脏代谢的负担,进一步增加病情。为理解肠道菌群在肝硬化发病进程中的作用,本研究拟用肠道菌群全基因组测序数据,对肝硬化的发病进程和肠道菌群的关联进行研究。方法本研究以健康对照(H),失代偿肝硬化(decLC),代偿期肝硬化(cLC)为研究对象,利用肠道菌群全基因组测序解析菌群的组成和功能基因组成,以寻找和疾病进程(健康>代偿期肝硬化>失代偿期肝硬化)相关的菌群及功能基因,以探讨肝功能代偿和肠道菌群的关联。并对同一批人群进行了生存随访,把患者分为死亡组(Death)和生存组(A1ive),以寻找和死亡因素相关的菌群。同时我们使用了新的算法以计算菌群的物种组合和功能基因组成,同时利用模拟数据和真实测序的数据,以测试新算法的效能。这部分内容被单独列为第二部分。结果和讨论和CLC相比,deCLC患者肠道菌群的物种多样性下降。CLC患者肠道菌群结构和健康人更接近。33个菌种及63种功能基因,和疾病进程正相关;10个菌种及123种功能基因,和疾病进程负相关,而这些菌可以聚在2个网络中。氨基酸合成路径(ko01230,Biosynthesis of amino acids),甲烷代谢(ko00680,Methane metabolism),转运 RNA 的合成(ko00970,Aminoacyl-tRNA biosynthesis),和疾病进程负相关.氨代谢路径(ko00910,Nitrogen metabolism)和疾病进程正相关。另外一些重要的益生菌,如 Akkermanisa muciniphila 和 Bifidobacterium longum,在CLC和健康对照中没有差异。肠道菌群在肝硬化早期开始失衡,且失衡状态和疾病进程相关。Death患者和Alive患者在菌群总体上看没有差异,但Death组的菌群多样性显著下降,一些重要的益生菌和产丁酸盐菌,如Bifidobacteriumlongum,Oscillibacter valericgenes,Ruminococcus obeum,这 3 个菌种也和疾病进程显著相关。用随机森林模型和疾病进程相关的43个菌。构建肝硬化的诊断模型,通过模型可以计算出疾病概率(POD),POD和疾病进程显著相关。独立样品验证发现,POD可以用来诊断CLC和H(0.7925),以及deCLC和H(0.8679准确率)。该模型对CLC和deCLC也有一定的区别能力(AUC=0.6474)。但POD对Alive和Death无区别能力。开发出了multiple best local alignments(MBLA)进行功能基因注释,模拟数据准确率可从25.61%提到92.15%。另外开发出uniCo(Unique Coefficient)构建菌群的物种组成和基因组成,对一个真实的混合菌群数据集进行测试后,其相关度可从0.57提高到0.809(Pearson相关系数检验)。