肠道微生物健康指数GMWI2

作者Jaeyun Sung在2020年和2024年的两篇文章，分别提出了计算个体肠道微生物健康指数的方法:

• A predictive index for health status using species-level gut microbiome profiling
• Gut Microbiome Wellness Index 2 enhances health status prediction from gut microbiome taxonomic profiles

研究设计

作者首先收集了70各个研究中12,532份肠道微生物样本，基于一些排除标准，最终有8,869份样本保留，其中57个健康的研究有5757份样本和18个非健康研究有3112份研究。所有样本采用相同的生物信息学流程处理。菌群丰度使用MetaPhlan3计算，根据相对丰度阈值>=0.00001确定每个样本的菌群存在/不存在。

Lasso惩罚逻辑回归提取健康和疾病相关分类群

使用Lasso惩罚逻辑回归(Lasso-penalized logistic regression)对菌群的矩阵进行分析，得到:

• 59个菌(taxa)的系数是正
• 3091个菌的系数是0
• 50个菌的系数是负

非零系数的菌包括，1个冈、3个目、7科、19属、79种

系数被定义为当样本中的相关分类群从缺失变为存在时，属于健康患者的样本的log-odds的期望变化

假设我们有一组数据，记录了不同年龄段的人群是否患病的情况。通过逻辑回归分析，我们得到了关于年龄这一自变量的Odds Ratio值，比如OR=1.1。

这个OR=1.1的含义是：在控制其他可能影响患病的因素（如性别、遗传、生活习惯等）不变的情况下，年龄每增加一岁，个体患病的概率与不患病的概率之比将增加10%。换句话说，如果一个人在某个年龄段患病的概率是某个值，那么当他年龄增加一岁时，他患病的“胜率”（即患病的概率与不患病的概率之比）将变为原来的1.1倍。

根据https://github.com/biobakery/MetaPhlAn/wiki/MetaPhlAn-3.1安装MetaPhlAn的数据库，作者使用MetaPhlAn的数据库的版本是mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901，详情见。

下载指定版本的MetaPhlAn数据库到当前文件夹的db目录:

metaphlan --install --index mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901 --bowtie2db db

docker 命令

docker run --rm  -it \
	-u $(id -u):$(id -g) \
	-v $PWD:$PWD \
	-w $PWD \
	wybioinfo/gmwi2:1.6 \
	metaphlan --install --index mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901 --bowtie2db db

注意此时会比较慢，MetaPhlAn需要下载数据库并建立索引

Downloading MetaPhlAn database
Please note due to the size this might take a few minutes

Downloading http://cmprod1.cibio.unitn.it/biobakery3/metaphlan_databases/mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901.tar
Downloading file of size: 366.62 MB
366.62 MB 100.00 %  16.09 MB/sec  0 min -0 sec         
Downloading http://cmprod1.cibio.unitn.it/biobakery3/metaphlan_databases/mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901.md5
Downloading file of size: 0.00 MB
0.01 MB 12800.00 %  31.60 MB/sec  0 min -0 sec         

Decompressing db/mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901.fna.bz2 into db/mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901.fna

Building Bowtie2 indexes

from joblib import load
import numpy as np
import pandas as pd
df = pd.read_csv( "tiny_metaphlan.txt", sep="\t", skiprows=3, usecols=[0, 2], index_col=0).T
dummy_cols = list(set(gmwi2.feature_names_in_) - set(df.columns))
dummy_df = pd.DataFrame(np.zeros((1, len(dummy_cols))), columns=dummy_cols, index=["relative_abundance"])
df = pd.concat([dummy_df, df], axis=1)
df = df.copy()[["UNKNOWN"] + list(gmwi2.feature_names_in_)]
 # normalize relative abundances
df = df.divide((100 - df["UNKNOWN"]), axis="rows")
df = df.drop(labels=["UNKNOWN"], axis=1)
presence_cutoff = 0.00001
gmwi2.decision_function(df > presence_cutoff)[0]

#mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901
#/Users/daniel/opt/anaconda3/envs/test_gmwi2/bin/metaphlan SRR1761667_QC_1P.fastq.gz,SRR1761667_QC_2P.fastq.gz --index mpa_v30_CHOCOPhlAn_201901 --force --no_map --nproc 16 --input_type fastq -o SRR1761667_metaphlan.txt --add_viruses --unknown_estimation
#SampleID	Metaphlan_Analysis
#clade_name	NCBI_tax_id	relative_abundance	additional_species
UNKNOWN	-1	70.84224	
k__Bacteria	2	29.031894900524044	
k__Archaea	2157	0.1258623750557678	
k__Bacteria|p__Firmicutes	2|1239	11.989174109844733

df = pd.read_csv( "tiny_metaphlan.txt", sep="\t", skiprows=4, usecols=[0, 2], index_col=0).T
dummy_cols = list(set(gmwi2.feature_names_in_) - set(df.columns))
dummy_df = pd.DataFrame(np.zeros((1, len(dummy_cols))), columns=dummy_cols, index=["relative_abundance"])
df = pd.concat([dummy_df, df], axis=1)
df = df.copy()[list(gmwi2.feature_names_in_)]
 # normalize relative abundances
# df = df.divide((100 - df["UNKNOWN"]), axis="rows")
# df = df.drop(labels=["UNKNOWN"], axis=1)
presence_cutoff = 0.00001
gmwi2.decision_function(df > presence_cutoff)[0]