2018-12-19浏览量:212

『锐帮读』肠道菌群通过改变丁酸和丙酸生产促进肺结核病人免疫系统修复

导读

肺结核是我们生活中的一种常见疾病,主要由结核杆菌感染引起,而本质上则与人体免疫机能下降有关。尽管已有很多研究增加了我们对结核杆菌与宿主互作机制的了解,但是目前人们仍然无法完全获知其发病过程的复杂性,如潜在机制和复发机制。近些年,借助下一代测序技术,人们开始逐渐了解肠道菌群在各种疾病过程中扮演的角色,特别是在调节宿主免疫、营养和代谢等方面的作用。但人体肠道菌群与感染性疾病之间的研究相对较少。本文通过微生物组学方法探究了肺结核病人的肠道菌群变化及作用机制。

文献ID

题目:Gut microbiome contributes to impairment of immunity in pulmonary tuberculosis patients by alteration of butyrate and propionate producers

译名:肠道菌群通过改变丁酸和丙酸生产促进肺结核病人免疫系统修复

杂志:Environmental microbiology

发表时间:2017年  IF:4.974

通讯作者:Yogendra Singh

通讯单位:印度CSIR-基因组学与综合生物学研究所微生物致病系

材料与方法

实验设计

选择6名肺结核患者以及他们的健康配偶或血亲(n=6)作为研究对象,分别在治疗开始时(TBZ)、治疗一周后(TBW)和治疗一个月后(TBM)收集肺结核患者的粪便样本,健康对照组只取一次样本,共计24例,置于低温下保存。此外,在上面3个时间点同时收集所有研究对象的血液样本,共计36例,分离出血清,检测总胆固醇、低密度脂蛋白(LDL)和高密度脂蛋白(HDL)的浓度。

第一次取样时记录研究对象的年龄、身高、体重。

测序区域及平台

16S:测序平台NextSeq 500  测序区域V3区

宏基因组:测序平台Illumina Hiseq 2000

研究成果


分析发现,肺结核患者和健康亲属的BMI指数存在显著性差异,其中患者的BMI指数更低。肺结核患者在治疗初期,血浆中总胆固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白水平也与健康组存在显著性差异,甚至极显著差异。然后患者在治疗1周和治疗1个月时的TC,HDL,LDL水平却无显著差异。

表1 研究对象的临床信息统计


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UniFrac分析证明饮食、BMI和患病史能够显著影响肠道菌群组成。PCA结果初步显示肺结核患者和健康人的肠道菌群组成不同,肺结核患者拥有更大的微生物α-多样性和物种丰富度,且组内差异显著大于健康人群内部。

图1 肺结核患者肠道菌群多样性展示

通过16S技术进行物种组成及差异分析,发现患病组人群体内拟杆菌属、粪杆菌属、粪球菌属、考拉杆菌属和假丁酸弧菌属显著增加,而普氏菌属显著降低,其中粪杆菌属、粪球菌属、考拉杆菌属和假丁酸弧菌属能够促进短链脂肪酸产生。

宏基因组学分析结果与16S结果类似,患病组中普氏菌属和双歧杆菌属显著降低,而丙酸生产者phascolarctobacterium succinatutens的丰度则显著提高。此外,M.tuberculosisShigella sonneiEscherichiacoliStreptococcus pneumoniaStreptococcus vestibularis等致病菌被发现在肺结核患者中出现显著富集。

图2 肺结核患者和健康人肠道菌群组成差异

  通过宏基因组关联分析(MWAS),构建了一系列宏基因组集群(MGCs),发现普氏菌属主导的MGCs和健康人群之间存在一种独特的关联。肺结核患者肠道中富集的MGCs,除拟杆菌属外,主要是产丁酸菌,如Eubacterium rectaleR.inulinivoransF.prausnitzii

图3 肺结核患者与健康人中差异丰度MGCs识别

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对组间差异基因进行KEGG功能注释,揭示患病组和健康组人群丙酸代谢和丁酸代谢存在差异。其中M.tubercolosis丰度与丙酸代谢正相关而与维生素B6代谢呈负相关。氨基酸生物合成以及辅酶因子和维生素代谢在肺结核患者中降低,普氏菌属与之呈正相关关系。已知丙酸和丁酸产生的主要途径是乙酰辅酶A途径和琥珀酸途径,通过优势比法,找到了与这两种产酸途径相关的酶,如图4B,C所示。

 

图4 肺结核患者肠道菌群KEGG功能改变

最后,对接受DOTS治疗后的肺结核患者肠道菌群变化进行了研究。经过1个月治疗,患者体内紊乱的肠道菌群结构并未得到恢复,但一些分枝杆菌病原体的丰度发生了显著降低。但与M.semgmatis的持续走低不同的是,M.tuberculosisM.bobis两种分枝杆菌丰度在治疗后呈现先升高后降低的趋势。该研究中所选的3个时间点事实上无法全面评估DOTS治疗对肺结核患者肠道菌群造成的长期影响,更长远的治疗时间有待被进一步研究。尽管DOTS治疗短期内并未对患者的肠道菌群产生较大影响,但研究中发现治疗后一个月患者体内某些代谢功能得到一定程度恢复,比如鞭毛组装、细菌趋化性和propanoate代谢功能削弱,而氨基酸和维生素代谢增强。

图5 宏基因组图谱揭示DOTS治疗对肺结核患者的影响

研究结论

该研究揭示患病人群和健康人群之间存在显著的菌群结构和功能差异。DOTS治疗1个月仅使患者体内结核分枝杆菌丰度显著降低,除此之外并未对其他致病菌和肠道菌群产生显著影响。然后更长久的治疗会有怎样的影响,文中并未研究。结核病患者体内丙酸和丁酸代谢显著增强,表明宿主免疫和营养代谢在抵御疾病过程中发挥主要作用。

亮点

1. 首次通过微生物组学手段探究人体肠道菌群和肺结核病之间的相关性;

2. 采用16s扩增子测序与宏基因组测序相结合的方法,从微生物多样性、菌群结构、组间差异乃至代谢功能等方面全面揭示肺结核患者肠道菌群变化及调控机制。

3. 分别通过患病人群vs健康人群以及患病人群治疗前后不同时间两条思路进行研究,实验设计更加饱满。

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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