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科研动态

eLIFE:粪菌移植促进青鳉鱼长寿
发布时间:2017-12-20 10:16   点击率:
导读
不同物种的生命周期不同,寿命的长短与个体的遗传因素及环境因素有关。对模式生物的研究,发现了一些与寿命相关的关键分子机制,如胰岛素-IGF1、mTOR介导的信号通路。另外还有研究表明,低温、少食可以延长个体的寿命。
 
微生物在生物体的各个部位都有分布,如皮肤表面、口腔、肠道等,与宿主共生,并参与营养吸收、发育与新陈代谢、免疫调控、防控病原菌,对宿主的能量平衡、健康或疾病等生物发生过程起到重要作用。人体中已有相关研究表明,随年龄变化,肠道菌群发生改变,如梭菌目的丰度随年龄而降低;果蝇中也有研究表明增加免疫稳态,保持肠道菌群平衡,可促进果蝇的长寿。
 
非洲青鳉鱼(African turquoise killifish,TK)有着极短的生命周期,需要在短暂的雨季内完成孵化和繁殖。文章利用16S测序和转录组测序技术,研究了肠道菌群对非洲青鳉鱼寿命的影响,并发现了中年青鳉鱼通过摄食年轻青鳉鱼的粪便而延长寿命。
 
 
文献ID
标题:Regulation of life span by the gut microbiota in the short-lived African turquoise killifish
译名:肠道菌群调节非洲青鳉鱼的寿命
期刊:eLIFE
年份:2017      IF:7.725
通讯作者:Dario Riccardo Valenzano
单位:德国科隆大学,马克斯普朗克衰老生物学研究所
 
 
材料与方法
取样点
津巴布韦(Z),莫桑比克(M1,M2),实验室圈养(Laboratory,L)
 
测序策略及平台
16S rDNA V3-V4区,Illumina平台
 
 
研究成果
一、非洲青鳉肠道微生物组成复杂
对比非洲青鳉鱼,和寿命更长的斑马鱼、无脊椎模式动物(蠕虫、果蝇)、脊椎模式动物小鼠和人的肠道菌群,发现青鳉鱼OTU多样性高于蠕虫和果蝇,低于小鼠和人,与斑马鱼的相似,肠道菌群的OTU丰富度与生命周期呈正相关;变形菌门Proteobacteria、厚壁菌门Firmicutes、放线菌门Actinobacteria和拟杆菌门Bacteroidetes,是非洲青鳉鱼肠道中主要的四种微生物,同时也是人肠道中主要的微生物。
 

图1. 非洲青鳉鱼与模式动物肠道菌群的比较
(青鳉鱼,n=11)
 
二、野生和被圈养的非洲青鳉鱼拥有共同的核心微生物组成结构
变形菌门是野生和圈养的非洲青鳉鱼中最占优势的菌门。对比野生青鳉鱼和圈养青鳉鱼的肠道菌群,野生青鳉鱼的Shannon多样性指数更高,Simpson多样性指数更高;圈养青鳉鱼的Chao1多样性指数更高。这可能由于实验室圈养提供了更为合适的生长温度、营养物质及其他因子,有利于青鳉鱼肠道微生物的大量增殖,而野生环境中多因素的影响使青鳉鱼肠道微生物多样性增高。
 
利用Weighted UniFrac distance算法,分别分析L、Z、M1、M2组内与组间微生物多样性,实验室圈养的多样性较野生的低,且M1与其他各组的差异最大;可能是因为M1地区环境更为复杂,青鳉鱼为了生存需要更为多样的肠道菌群。
 

图2. 核心肠道菌群在野生和圈养的青鳉鱼中相似
 
三、青鳉鱼的衰老与肠道菌群多样性降低和肠道健康基因表达的下降有关
年轻青鳉鱼的肠道OTUs数量比年老青鳉鱼更多,PCA分析显示两组样品离散,存在明显的差异。PICRUSt功能预测和LEfSe差异分析显示,年轻青鳉鱼的肠道菌群功能富集了糖酵解、多糖新陈代谢;年老青鳉鱼的肠道菌群中碳水化合物、核苷酸和氨基酸的新陈代谢功能缺失,功能富集了发病过程、转运和分解代谢。作者从转录组层面进行了研究,年老青鳉鱼的肠道中免疫防御反应、炎症等相关基因表达上调,这些都与疾病和毒性有关,和16S功能预测吻合。
 

图3. 年轻和年老的青鳉鱼肠道微生物的转变
(Young,n=16;Old,n=14)
 
四、移植年轻粪菌移植的青鳉鱼寿命更长
分别移植6 week青鳉鱼的粪便、9.5 week青鳉鱼的粪便到9.5 week的青鳉鱼,并设置无处理组,结果移植6 week的青鳉鱼寿命最久。此外,探索行为被认为会随着衰老而减少,研究发现移植6 week的青鳉鱼的探索行为显著多于其他组。两组表型实验证明:移植年轻青鳉鱼的粪便到年老的青鳉鱼,可以帮助后者延长寿命或减少衰老行为。
 
图4. 年轻的青鳉鱼粪菌延长寿命
Abx仅接受抗生素处理;OMT接受相同年龄的青鳉鱼粪菌移植,16 week;YMT接受年轻青鳉鱼的粪菌移植,16 week;WT野生型,16 week
 
五、移植后青鳉鱼肠道微生物与供体的肠道微生物结构
比较6 week与YMT、Abx、OMT、16 week的青鳉鱼,肠道微生物多样性依次降低,并且6 week的青鳉鱼肠道菌群多样性显著高于其他4组,YMT组的青鳉鱼肠道菌群多样性显著高于Abx、OMT、16 week。
 
利用Bray-Curtis(上)和Unweighted UniFrac 算法进行PCA分析,样品点之间的离散聚合反映了样品之间远近的关系。对样品进行系统聚类分析,YMT与6 week更为接近,而与另外3组距离较远,揭示6 week的青鳉鱼为YMT组提供了年轻的肠道菌群。
 
6 week与YMT组青鳉鱼肠道菌群的优势菌门为Bacteroidetes(拟杆菌门)和Firmicutes(厚壁菌门),优势菌属为Carnobacterium(肉食杆菌属)、Arthrobacter(节细菌属)、Exiguobacterium(微小杆菌属)、Planococcus(动性球菌属)、Psychrobacter(嗜冷杆菌属)、Enterococcus(肠球菌数)、Halomonas(盐单包菌属)。
 

图5. 移植年轻粪便的年长青鳉鱼与年轻青鳉鱼的肠道微生物
 
六、粪菌移植在老年时促进了细菌与细菌之间的连通性
作者为了检测粪菌移植是否改变了宿主肠道中细菌与细菌的关系,利用OTU构建了细菌连通性网络(bacterial connectivity networks)。Proteobacteria(变形菌门)在所有分组中拥有与其他细菌最高的连通性,6 week和YMT组拥有最大的网络以及多个与其它菌相关的微生物。
 
YMT拥有两个较大的连通节点,一个与6 week相似,包括Exiguobacterium(微小杆菌属)、Planococcus(动性球菌属)、PropionigeniumPsychrobacter(嗜冷杆菌属),另一节点与16 week相似,包括Propionibacterium(丙酸菌属)、Delftia(代尔夫特菌属)、Citrobacter(柠檬酸杆菌属)。
 
作者发现,年轻青鳉鱼的肠道微生物比年老青鳉鱼存在更多样化的互作,并利用年轻、中年、年老的小鼠肠道微生物数据进行了验证,同样也发现,年轻小鼠较年长的小鼠肠道微生物存在更大的细菌连通性网络。
 

图6. 青鳉鱼肠道菌群连通性网络图
 
七、粪菌移植后肠道转录水平的改变
青鳉鱼的粪菌移植改变了肠道菌群的结构,为了研究转录水平是否也发生改变,作者利用转录组测序检测肠道组织的转录水平,并发现与OMT、Abx、16 week相比,6 week和YMT组在与防御细菌、Tor途径、细胞外基质有关的转录RNA上表达量较高。
 

图7. 粪菌移植后肠道转录水平的改变
 
研究结论
1. 移植年轻的菌群能够抑制青鳉鱼体内与衰老相关的肠道菌群多样性降低,维持青鳉鱼年轻的肠道菌群组成结构。
2. 移植年轻的肠道菌群可以使年长的青鳉鱼延长寿命、延缓衰老行为。
3. 移植不仅引起了肠道菌群的组成结构改变,也引起了转录水平的改变,包括防御细菌、Tor途径等。
 
 
亮点
本文结合了16S数据和转录组数据,从DNA和RNA两个层次说明,由粪菌移植引起的微生物多样性和基因表达的改变,证实了年轻的肠道菌群对抵抗衰老的作用。