人类是自身和微生物共同组成的一个超级生物体,其微生物细胞数量与人体自身细胞数量相当。这些微生物包括细菌、真菌、病毒、古细菌和蠕虫等,它们定殖在人体的皮肤、口腔、呼吸道、胃肠道和泌尿生殖道中。最近的研究表明,肠道菌群在维持宿主健康的诸多方面起着重要作用,例如食物消化、肠道上皮发育的调节、必需维生素的合成以及防止病原体入侵。肠道菌群失调可能会导致多种疾病的发生,包括过敏、炎症性肠病、肠易激综合征、艰难梭菌感染（Clostridioides difficile infection,CDI）、肥胖、非酒精性脂肪肝、癌症甚至精神类疾病等。影响肠道菌群的因素主要有遗传、分娩方式、性别、年龄、地理位置、饮食和抗生素等。哺乳动物肠道菌群的组成随年龄增长而发生改变,这种组成及其功能上的变化也会影响宿主的健康。与其他实质性器官相比,肠道菌群不会遵循与年龄有关的生理衰退的轨迹。抗生素对肠道菌群具有显著且长期的影响,这种影响会降低肠道对病原体（包括C.difficile）的定殖阻抗能力。因此,理解肠道菌群对C.difficile定殖阻抗的机理于开发针对该病原体的预防、诊断和治疗的方法具有重要意义。在本研究中,我们首先采用肠型聚类和共生网络分析来研究不同年龄阶段猪肠道菌群随年龄的动态变化。然后,我们从20月龄开始采集雌性老年小鼠的粪便样本来了解肠道菌群如何参与衰老过程,并使用机器学习模型来测试早期肠道微生物组特征是否可以准确预测晚期衰老状态。最后,我们利用机器学习模型整合来自临床队列的宿主免疫因子数据和肠道微生物组数据,以识别与CDI相关的微生物和免疫因子的特征集合以及其相互作用。主要发现如下:一是通过16S rRNA基因测序分析了来自四个不同年龄阶段的953头猪的肠道菌群组成,利用肠型聚类和共生网络分析,探究不同年龄阶段猪肠道微生物组的动态变化。我们发现在整个实验期间,Firmicutes和Bacteroidetes门是主要的优势菌。猪肠道菌群的多样性随着年龄逐渐地增加。主坐标分析（Principal Coordinates Analysis,PCOA）表明,断奶前仔猪和其他三个年龄阶段猪肠道菌群组成存在明显差异。断奶前仔猪的肠道菌群由Fusobacterium和p-75-a5为代表的两种肠型组成。然而,在之后的三个年龄段,Prevotella和Treponema则是肠道菌群的代表肠型。除仔猪外,一些成年猪在不同年龄段也存在肠型的转换。随着年龄的增长,微生物共生网络的特征如大小和复杂度都在增加。仔猪共生网络中的模块主要与简单碳水化合物和乳糖的利用有关,而在80、120和240日龄时,我们发现其子网络可能与饮食中的复杂多糖的消化有关。此外,与蛋白质和氨基酸代谢有关的网络模块也在120和240日龄的共生网络中出现。最后,功能预测分析与肠道微生物组在功能模块上随年龄的动态变化相一致。二是越来越多的证据表明,肠道菌群在宿主健康以及与年龄相关的病理状况中具有关键作用。然而,尚不清楚肠道菌群是否可以预测个体的衰老状态。在本研究中我们对C57BL/6雌性老年小鼠进行了纵向研究。根据小鼠的衰老状态,我们观察到小鼠肠道菌群的多样性、动力学特性和共生模式发生了显著变化。使用机器学习模型,我们从20月龄小鼠肠道中鉴定出特定的微生物特征,基于这些微生物特征和机器学习模型,我们可以准确地预测29月龄小鼠的衰老状态。此外,我们发现衰老的进程可能会因小鼠肠道菌群中存在的特定机会致病菌的富集而加速。这项研究揭示了潜在的基于微生物组疗法来促进健康性衰老的可能性。三是全面了解CDI发病机理对于疾病的诊断、治疗和预防至关重要。因此,对CDI中的宿主和微生物组相互作用进行定量研究的意义重大。但是,目前我们缺少一种有效的计算框架来量化CDI中的宿主和微生物组的相互作用。本研究基于243名具有四种不同C.difficile感染或定殖状态的临床队列,我们发现肠道菌群和宿主免疫因子之间的相互作用对C.difficile的定殖和感染状况较敏感。此外,我们还发现将肠道微生物组和宿主免疫因子数据整合到随机森林模型中比使用任何单一数据类型都能更好地将CDI组从其他组中区分开。最后,我们使用选定的特征和遗传编码的符号分类模型,以训练出特征之间的数学公式,从而明确量化肠道微生物组与宿主免疫标志物之间的相互作用,并生成临床诊断模型。本研究发现了随着年龄的增长,猪肠道菌群的组成、肠型、共生网络和潜在功能都会发生相应的动态变化。我们评估了衰老小鼠的肠道菌群与年龄相关的变化,以确定这些变化是否与健康的衰老有关。研究结果表明,利用机器学习模型和肠道微生物特征可以预测小鼠将来的衰老状态,并为开发以微生物组为靶向的干预措施来改善老年人群的衰老状态提供了一种潜在的新策略。此外,这项研究还提供了一个有效的计算框架,以量化肠道微生物组与宿主免疫因子之间复杂的互作在CDI发病机理中的作用,这为将来CDI的诊断和治疗策略提供理论基础。