基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法技术

本发明专利技术提供了一种基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，通过收集涉及生命早期的肠道微生物测序原始数据及其宿主的背景信息，获得构建年龄预测模型的肠道微生物相对丰度信息表，进行微生物特征选择，并构建年龄预测模型验证，利用年龄预测模型对将要预测的样本数据进行年龄预测。本发明专利技术基于宿主生命早期肠道微生物群落变化与宿主发育之间的关系，利用肠道微生物在宿主生命早期发挥的重要作用以及不断发育的特点，构建了基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型，以及获取在宿主生命早期重要的肠道微生物标志物信息，作为宿主生命早期健康状态评价指标之一；构建的模型预测效果更好、精度越高。精度越高。精度越高。

【技术实现步骤摘要】
基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法


[0001]本专利技术涉及肠道微生物研究领域，具体涉及一种宿主年龄预测模型构建方法。

技术介绍

[0002]肠道微生物与宿主健康之间存在着紧密的关联。一方面，肠道微生物是人体组成不可缺少的部分，不仅帮助人体从食物中吸收营养，还在包括物质代谢、生物屏障、免疫调控和宿主防御等功能上发挥重要的作用。比如，肠道微生物可以间接的影响个体对免疫治疗的反应，定植在肠道黏膜表面的菌群对于宿主免疫系统的成熟起着关键作用，表现在肠道菌群及其代谢产物在维持肠道上皮细胞的完整性和刺激免疫耐受性等方面。反过来，宿主不同的健康状态会影响肠道微生物的生活方式，例如宿主免疫系统会抑制肠道中导致产生慢性炎症的致病菌的繁衍；宿主在不同年龄阶段的肠道微生物组成也是不一样的，研究表明随着年龄的增长，肠道微生物群落结构会发生显著改变，比如乳酸菌、双歧杆菌等有益菌含量会逐渐减少，而大肠杆菌、产气荚膜梭菌等潜在致病菌含量会逐渐增加，这进一步会影响肠上皮细胞的功能。肠道微生物菌群与宿主存在的共生和协同进化的关系，可以促进宿主免疫系统的发育及调节机体免疫系统平衡。
[0003]随着对肠道微生物研究的不断深入，研究表明从出生到2
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3岁阶段，肠道微生物群落结构会发生显著改变，之后微生物会保持相对稳定。Fredrik等人在Cell Host&Microbe发表的研究表明，成年人肠道微生物群中占多数的细菌属都是在发育早期3年内形成的，这表明了肠道微生物群可能在发育早期特别敏感，并会对以后的健康产生深远影响。同样地，Charisse Petersen等人在Cell Reports Medicine上的研究表明了从刚出生到发育至600天的婴儿肠道微生物群落在不断的成熟，同时还发现发育过程中肠道微生物多样性的降低与后期宿主发生过敏症状具有显著的相关性。Advanced Experimental Medical Biology上发表的一篇研究综述表明，生命最初1000天是人体肠道微生物定植与成型的关键时期，也是免疫系统发展与成熟的关键时间，会深刻地影响宿主今后的代谢能力、免疫功能和微生物组成。以上这些研究结果都充分表明了肠道微生物在宿主生命早期的重要性。
[0004]到目前为止，一些现有技术在利用肠道微生物构建宿主生命早期年龄预测模型还存在着不足，比如CN113574604A专利技术申请构建的人类微生物组的衰老标记物和微生物组的衰老时钟模型方法，只针对15到90岁宿主个体，不适用宿主在生命早期的预测；比如CN114093515A专利技术申请提供了一种基于肠道菌群预测模型集成学习的年龄预测方法，但是没有对宿主个体的年龄做区分判定，根据生命早期(0
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3岁)和后期年龄阶段肠道微生物显著不同的研究，该技术可能对于生命早期的年龄预测具有偏差性，并且模型预测性能不足60％；而CN111128378A专利技术申请，虽然提供了一种用于评估婴幼儿肠道菌群发育年龄的预测方法，但是没有提供明确的肠道微生物标志物信息，也没有提供预测模型的准确度和其他评估指标，没有较高的可利用性。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，解决了现有技术中缺乏宿主早期生命预测研究、构建模型数据集小以及模型预测性能不足等问题。
[0006]技术方案：为了解决上述技术问题，本专利技术一种基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一，收集涉及生命早期的肠道微生物测序原始数据及其宿主的背景信息；
[0008]步骤二，对原始数据进行分析整合，获得最终构建年龄预测模型的肠道微生物相对丰度信息表；
[0009]步骤三，肠道微生物特征选择，构建年龄预测模型并验证；
[0010]步骤四，利用年龄预测模型对将要预测的样本数据进行年龄预测。
[0011]进一步，步骤一通过关键词检索相关文献，关键词包括infant gut microbiota、16S rRNA，对初步收集获得的文献进行筛选，过滤没有BioProject信息、肠道微生物数据测序数据集不公开、测序样本来源为非肠道和宿主年龄信息不明确的样本，留下的样本根据文献中的BioProject信息，在数据库检索获取对应样本肠道微生物测序数据批量进行下载。
[0012]进一步，步骤一利用关键词在数据库检索，关键词包括infant gut microbiota、16S rRNA，在数据库检索直接获取项目的BioProject信息、宿主信息以及测序数据，过滤测序样本来源为非肠道和没有宿主年龄信息的样本，批量下载原始测序数据。
[0013]更进一步，所述数据库包括NCBI的SRA数据库或ENA数据库。
[0014]进一步，步骤二对原始数据进行分析整合：首先删除年龄在1000天以上的样本，其次转换不同样本的年龄信息单位统一为月；其次对原始测序数据进行分析处理，先使用Trimmomatic对原始测序数据进行初步质量控制，包括去除接头序列和低质量序列，为了避免后续不同项目整合分析受到测序深度的影响，去除了质控后序列数目小于20000的样本；对质量控制后的高质量序列进行后续分析，最终获得了肠道微生物的相对丰度信息表。
[0015]更进一步，所述后续分析包括DADA2分析流程、QIIME2分析流程或USEARCH的OTU分析流程，所述DADA2分析流程包括dada2降噪处理、嵌合体序列去除、ASV序列以及样本组成表生成和数据库物种注释分析。
[0016]更进一步，物种注释分析的数据库包括SILVA数据库、Greengenes数据库或RDP数据库。
[0017]进一步，步骤三利用肠道微生物相对丰度表以及对应的宿主年龄信息来构建年龄预测模型：
[0018]①
根据随机抽样的原理，按照比例构建年龄预测模型的训练集和测试集，利用训练集构建随机森林模型，默认生成500棵决策树，并用测试集对构建好的模型进行评估；
[0019]②
对于构建好的随机森林模型，利用随机森林模型中importance函数功能评估模型中微生物的重要性并排序：根据IncNodePurity值判定微生物的重要性，IncNodePurity值是通过残差平方和来度量，代表了每个变量对分类树每个节点上观测值的异质性的影响，从而比较变量的重要性，该值越大表示该变量的重要性越大；再利用十折交叉验证法筛选获取微生物特征数据集；
[0020]③
根据筛选获取的微生物特征数据集构建年龄预测随机森林模型，对该数据集按照比例构建训练集和测试集，利用训练集构建年龄预测随机森林模型，默认生成500棵决策树，并用测试集对构建好的模型进行评估。
[0021]进一步，步骤四对于待预测年龄的宿主样本，获得该样本的微生物相对丰度表，导入年龄预测随机森林模型进行预测，从而获得待预测宿主样本的年龄预测结果。
[0022]更进一步，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，收集涉及生命早期的肠道微生物测序原始数据及其宿主的背景信息；步骤二，对原始数据进行分析整合，获得最终构建年龄预测模型的肠道微生物相对丰度信息表；步骤三，肠道微生物特征选择，构建年龄预测模型并验证；步骤四，利用年龄预测模型对将要预测的样本数据进行年龄预测。2.根据权利要求1所述的基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，其特征在于，步骤一通过关键词检索相关文献，关键词包括infant gut microbiota、16S rRNA，对初步收集获得的文献进行筛选，过滤没有BioProject信息、肠道微生物数据测序数据集不公开、测序样本来源为非肠道和宿主年龄信息不明确的样本，留下的样本根据文献中的BioProject信息，在数据库检索获取对应样本肠道微生物测序数据批量进行下载。3.根据权利要求1所述的基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，其特征在于，步骤一利用关键词在数据库检索，关键词包括infant gut microbiota、16S rRNA，在数据库检索直接获取项目的BioProject信息、宿主信息以及测序数据，过滤测序样本来源为非肠道和没有宿主年龄信息的样本，批量下载原始测序数据。4.根据权利要求2或3所述的基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，其特征在于，所述数据库包括NCBI的SRA数据库或ENA数据库。5.根据权利要求1所述的基于肠道微生物的宿主生命早期年龄预测模型构建方法，其特征在于，步骤二对原始数据进行分析整合：首先删除年龄在1000天以上的样本，其次转换不同样本的年龄信息单位统一为月；其次对原始测序数据进行分析处理，先使用Trimmomatic对原始测序数据进行初步质量控制，包括去除接头序列和低质量序列；对质量控制后的高质量序列进行后续分析，最终获得了肠道微生物的相对丰度信息表。6.根据权利要求5所述的基于肠道微...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡万金，江伟，庾庆华，薛正晟，陈东波，沈阳，
申请(专利权)人：迪辅乐生物上海有限公司，
类型：发明
国别省市：