2018-12-17浏览量:256

『锐帮读』揭秘!!!儿童早期肠道菌群结构随时间演化

导读

人体由100万亿个细胞组成,其中一半以上是人体内的微生物细胞,而80%的微生物又集中在肠道内,重量可达2公斤。肠道菌群的基因组比人类的基因组还要庞大,人体肠道内有多达1000多种的共生微生物,其中绝大部分是细菌。肠道里的各种菌群互相制约、和谐共存,并以各种方式影响着整个人体的健康,因此也被称为人体的第二器官。

肠道菌群在婴儿时期便开始在肠道里定植,在0~3岁期间,肠道微生态的组成经历了巨大的变化,而这些变化的特征与宝宝的健康成长,尤其是营养代谢能力和免疫系统的建立有着密切的联系,到3岁左右时发展成接近成年人的状态。分娩方式喂养方式抗生素饮食等会影响婴儿的肠道菌群,从而给宝宝的健康带来隐患,甚至是影响终身的慢性疾病。来自美国贝勒医学院的研究者们探究了宝宝肠道菌群随时间的演化特征以及影响菌群结构的各种因素。

文献ID

题目:Temporal development of the gut microbiome in early childhood from the TEDDY study

译名:TEDDY(青少年糖尿病的环境决定因素)研究中儿童早期肠道菌群时间演化

期刊名:Nature

年份:2018  IF:41.577

通讯作者:Christopher J. Stewart、Joseph F. Petrosino

通讯单位:美国贝勒医学院

材料与方法

实验设计

903个儿童的3到46个月的粪便样品。

测序区域及平台

16S rRNA测序:n=12005,Illumina Miseq平台V4区双端测序;

宏基因组测序:n=10867,Illumina HiSeq 2000平台双端测序。

研究成果

所有样本聚成了10个cluster,每个cluster的OTU丰度和微生物多样性逐渐升高(图1a、图1b)。针对Top5的门和Shannon多样性指数,使用线性混合效应模型,确定了婴儿肠道微生物组发展的三个不同阶段发展阶段(3–14月),过渡阶段(15–30月),稳定阶段(大于31月)。所有的Top5门和Shannon多样性指数在发展阶段显著改变;2个门(Proteobacteria、Bacteroidetes)和Shannon多样性指数在过渡阶段显著改变;所有的Top5门和Shannon多样性指数在稳定阶段基本维持不变(图1c)。Bifidobacterium在发展阶段初期显著富集,其中20%的个体从cluster1转变成cluster3。随着年龄增长,在15–30月期间,样本主要分布在cluster4到cluster8之间。从婴儿出生第31个月开始,观察到微生物组的稳定性,即样本在连续的时间点保持在同一个cluster中。且稳定阶段样本主要分布在cluster8到cluster10之间,具有较高的alpha多样性,厚壁菌门丰度高。这三个微生物组阶段中菌群的变化与其他文献的队列一致,并得到了宏基因组测序数据的支持。

图1  根据16S rRNA基因测序结果进行DMM模型聚类

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接下来,确定与微生物组谱相关的重要因子[属水平(16S rRNA基因测序),种水平、功能水平(宏基因测序)]。将样本分散到离散的时间段进行统计分析(3–6月,7–10月,11–14月,15–18月,19–22月,23–26月,27–30月和31–40月)。在3–18月期间,一些协变量与属和种水平的细菌群落分布显著相关,尤其是在3–6月。然而,菌群代谢水平只与3–14月的母乳摄入有关。母乳喂养对3–14月的菌群差异的影响最大,14月之后只有10%的婴儿接受母乳喂养。

图2  22个菌群协变量的解释度和显著性:a,属水平;b,种水平;c,功能水平

 

在整个生命的第一年,母乳喂养对微生物组的发展有相当大的影响,不管是完全母乳喂养还是与配方奶和/或固体一起喂养(图3a)。在属水平上,在整个第一年时间段,母乳的摄入与双歧杆菌的相关性最为显著。在种水平,母乳喂养与121种不同的微生物显著相关,母乳喂养的婴儿有更高丰度的B.bifidumB.breveB.dentiumL.rhamnosusS.epidermidis,更低丰度的E.coliT.nexilisE.lentaR.torquesR.intestinalisBifidobacterium spp.和Lactobacillus spp.可以在母乳中存在,而Staphylococcus spp.在母亲皮肤间隙里定植,所以可以通过母体直接传递给婴儿。B. longum与母乳喂养没有显著相关性,与其他双歧杆菌相比,其相对丰度较高(图3b)。B.bifidum在停止母乳喂养后仍然存在,该物种能够将人乳寡糖转化为黏蛋白降解。

随着婴儿的成长,固态食物的摄入量增多。在本研究中,母乳喂养的婴儿和不进行母乳喂养的婴儿Shannan多样性指数随着时间收敛,可能是由于母乳喂养的饮食成分中母乳的比例降低了,因此双歧杆菌的丰度减少(图3c)。在所有阶段,接受母乳喂养的婴儿与不接受母乳喂养的婴儿相比,多样性显著降低,由于双歧杆菌在接受母乳喂养的婴儿中占主导地位。

母乳喂养是与菌群代谢水平显著相关的唯一因子。通过MaAsLin分析得到重要的代谢模块,绘制三个时间段的代谢模块丰度热图,发现基于是否母乳喂养发生明显的聚类(图3e)。与母乳喂养最显著性相关的一类模块是“carbohydrate and lipid metabolism”,包括“fatty acid biosynthesis”、“beta-oxidation, acyl-CoA synthesis”。而没有接受母乳喂养的婴儿展现出了代谢能力的转变,“dicarboxylate-hydroxybutyrate cycle”和“reductive acetyl-CoA”模块显著升高。

通过将reads注释到已知KEGG物种的KEGG模块中,可以直接知道每个基因来自哪个物种。在母乳喂养的婴儿中,B. breve在早期生命中占重要模块的数量最多,6个月后被B. bifidum取代。在非母乳喂养的婴儿中,E. coli占重要模块的数量最多(图3f)。

图3  在生命的第一年中母乳喂养状态是最显著的微生物群协变量

研究结论

1、婴儿肠道微生物组的发展分三个不同阶段:发展阶段(3–14月),过渡阶段(15–30月),稳定阶段(大于31月);

2、母乳喂养对婴儿的肠道菌群有显著性影响。

亮点

1、进行16S rRNA测序,用于属水平分析;同时进行宏基因组测序,用于种水平和功能水平分析。

2、研究了肠道菌群在时间轴上的变化规律,并与母乳喂养等因素的关联分析。

锐翌基因服务

1.锐翌基因采用Illumina MiSeq PE250测序策略对16S rDNA的V3+V4或多种单可变区进行测序,数据质量更高(Q30≥90%),测序通量显著提高;升级版后的分析内容,更加全面,并在原有的分析基础上提供自己的特色分析,给各位新老客户完美的测序体验。

2.宏基因组测序采用最新的Illumina Hiseq平台,并具有以下优势:

■ 全面的技术策略:采用Illmina Hiseq平台,测序策略为PE150。对测序序列组装,得到微生物群落结构的基因信息,分析微生物群落结构的基因、功能基因及物种多样性,探讨微生物群落与宿主之间的相互关系等。

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