2019-08-01浏览量:142

『锐帮读』Cell子刊:饮食习惯决定菌株水平多样性

肠道菌群的每个物种通常包含数个菌株,具有很高的基因组多样性。而其中普氏菌属Prevotella在以往研究中被证明对人体同时具有积极和消极的作用,所以其对于人体健康的影响一直存在争议,推测菌株(Strain)水平的多样性可能是导致这种现象的原因。

 

本文通过分析不同饮食习惯的意大利人的肠道宏基因组,研究了不同的Prevotella copri菌株的存在,发现富含纤维的饮食与P. copri菌株类型有关,会增强其碳水化合物分解代谢的潜力。与杂食性饮食相关的P. copri菌株会增加leuB基因的发生率,这种基因参与了支链氨基酸生物合成,是葡萄糖耐受不良和II型糖尿病的危险因素。

 

将这些P. copri泛基因组与其他研究队列进行比较,进一步证明了不同的P. copri菌株具有不用的基因库(gene repertoires),这些基因序列分别与西方/非西方个体的药物代谢和复合碳水化合物降解显著相关。提示肠道微生物群落中P. copri的多样性受饮食的影响,而这种多样性可能解释了受试者对饮食干预的特定反应和人类健康的差异。

 

文献ID

题目:Distinct Genetic and Functional Traits of Human Intestinal Prevotella copriStrains Are Associated with Different Habitual Diets

译文:人类肠道Prevotella copri 不同菌株的遗传和功能特征与饮食习惯有关

期刊:Cell Host & Microbe   IF:15.753

发表时间:2019.03

通讯作者:Danilo Ercolini

通讯单位:意大利那不勒斯费德里科二世大学

 

材料与方法

研究思路

1、受试者是与意大利素食营养学会(http://www.scienzavegetariana.it/)合作招募的健康志愿者。根据EPIC研究标准,所有受试者填写了一份经过验证的、自我管理的食物频率问卷,评估日常饮食,以及生活方式和其他个人数据,其中包括是否素食和素食饮食制度的具体问题。所有受试者均为18-60岁,按规定饮食至少一年。

 

2、入组排除标准:服用过益生菌或益生菌、前3个月使用过抗生素、怀孕和哺乳期、患有肠道疾病(如克罗恩病,慢性溃疡性结肠炎,细菌过度生长综合征,便秘,腹腔疾病,肠易激综合征,结直肠癌)、以及其他疾病(I型或II型糖尿病、心脑血管疾病、伴发肿瘤疾病、神经退行性疾病、类风湿关节炎、过敏)。

 

3、分组信息:本研究入组人群一共97人(46名男性,51名女性),其中53名受试者,来自之前的研究队列,另44名受试者属于新招募队列:

杂食者(O, omnivore),n=23;

一般素食者(VG,vegetarian),n=38岁;

严格素食者(V,vegan),n=36。

 

测序产品

宏基因组, Illumina HiSeq

 

研究成果

1、P. copri菌株水平的差异与饮食习惯有关 

本文分析了97名意大利杂食者(O,n=23)、一般素食者(VG,n=38)和严格素食者(V,n=36)的肠道宏基因组。在47个样本中,P. copri的相对丰度足够进行菌株水平分析(包含9个O,22个VG和16个V),而他们分别对应的平均年龄为40.8±8.9、42.1±7.6和40.1±12.3岁,身体质量指数(BMI)分别为24.5±4.5、21.9±3.0和21.8±3.7 kg / m2,受试者的年龄和BMI无显著差异(p>0.05)。用Bray Curtis相异度矩阵的多元方差分析(MANOVA)确定本研究中P. copri的丰度范围为0 ~ 83.2%(图1),与饮食类型(O、V、VG)无显著相关性。

 

图1 在人体肠道宏基因组中发现大量的Prevotella copri

 

为了验证菌株水平结构可能与饮食相关的假设,通过PanPhlAn分析和KEGG功能数据库比对,利用P. copri的泛基因组图谱进行菌株特异性潜在功能的鉴定。MANOVA分析中未发现P. copri的泛基因组与性别的相关性(p>0.05)。而PCoA分析中能明显地将O组与非O组(V组+VG组:VVG组)受试者分开(图2A)。进一步将V组与VG组分开分析,可以看到从V组、VG组到O组的样本分布呈现梯度变化(图2B)。

 

图2 P. copri的泛基因组与特定的饮食有关。(A)基于P. copri泛基因组,VVG组与O组的PCoA分析。(B)O组、VG组与V组之间的PCoA分析。

 

V组和VG组中P. copri的泛基因组上分别有36个和8个泛基因与O组不同(p<0.05,表1)。有趣的是,V组中P. copri菌株在涉及复合碳水化合物的分解中表现出更高的基因发生率(表1),这些基因经鉴定为乙酰木聚糖酯酶、果胶裂解酶、α-L-岩藻糖苷酶、 1,4-β-木聚糖酶、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶,以及一些碳水化合物转运蛋白(susD家族)。

 

为了进一步确认,本文使用了CAZy数据库(http://www.cazy.org)对P. copri泛基因进行验证。发现糖苷水解酶(Glycoside hydrolase,GH)和糖酯酶(carbohydrate esterase,CE)家族在V组中最富集,而只有CEs家族,尤其是CE7和CE8(包括乙酰木聚糖酯酶和果胶甲基酯酶),在V组中显著富集(p < 0.05;图3)。

 

图3 箱线图显示杂食动物(O)、一般素食者(VG)和严格素食者(V)中在CAZy的CEs家族结果

 

而包含复合多糖分解酶的GH5、GH95、GH127在V组中富集,含β-半乳糖苷酶的GH2在O组中占优势。此外,参与含硫化合物代谢的基因(半胱氨酸-β-裂解酶和O-乙酰高丝氨酸硫醇裂解酶)在O组中较V组富集,还有3-异丙基苹果酸脱氢酶(基因leuB, EC 1.1.1.85)参与支链氨基酸(BCAA)的生物合成。所有O组、67% VG组和18% V组的P. copri泛基因组中携带leuB基因。有趣的是,当将受试者按照P. copri中是否存在leuB进行分类时,发现V组和VG组中那些含不携带leuB基因的P. copri的个体,尿路中BCAA水平显著降低(p<0.05;图4)。

 

图4 P. copri leuB基因的发生与尿路中不同的BCAA水平有关

 

表1 P. copri基因在意大利杂食者(O)、一般素食者(VG)和严格纯素食者(V)个体中表现出显著差异

 

为了验证上述结果,本文将宏基因组数据组装成contigs,从中提取属于P. copri的信息。在组装中识别到的核心基因被校准之后用于构建系统发育树,结果显示O组和V组中的P. copri菌株有明显的分离,而VG组则分布在前两组中(图5)。

 

图5 不同饮食下可利用Prevotella copri 基因组中的单核苷酸多态性来区分受试者

 

2、西方和非西方群体间P. copri潜在功能的比较 

将本研究中的P. copri基因序列与其他研究中的西方和非西方人群进行了比较,发现在两个群体中存在的P. copri菌株的潜在功能是不同的,可以分成两个主要的聚类(图6A)。

 

有趣的是,将来自其他研究中不同国家的人群放在一起研究,发现丹麦人、其他意大利人以及少数美国人同本研究的意大利人聚类在一起(图6B),并找到1368个基因可以区分西方和非西方受试者。其中可编码SusC和SusD转运蛋白(参与淀粉结合),以及碳水化合物代谢中木聚糖酶、果胶酯酶、β-糖苷酶和淀粉酶的几个基因,均在非西方受试者中富集。而在西方个体中,与B族的几种维生素(B1、B2、B5、B6)以及叶酸的生物合成相关的蛋白酶和基因则普遍存在。最后,西方受试者的P. copri泛基因组中编码TolC和MATE家族(多药外排转运体)蛋白(负责细胞中抗生素和有毒化合物的排出),和DedA家族蛋白(可能是耐药功能膜蛋白)的基因发生率较高。

 

图6 根据Prevotella copri 区分西方和非西方群体

 

研究结论

1、对人肠道宏基因组进行筛选发现了不同的P.copri泛基因组类型;

2、饮食习惯和生活方式可以使人体倾向于选择不同的P.copri菌株,素食主义者含有的P.copri菌株拥有更强的降解复合碳水化合物的潜能,而杂食者含有的P.copri菌株会增加和BCAA生物合成相关的基因发生率,使尿路中BCAA水平始终较高;

3、通过比较不同国家人群数据发现,来自非西方研究对象的P.copri菌株显示出更高的复合纤维分解潜力,而来自西方的P.copri菌株具有更高的药物代谢基因的发生率。

 

亮点

1、本文针对菌株水平的多样性进行研究,对以往研究中关于仅在属和种中产生的争议开发了一种新思路;

2、通过宏基因组测序对特定的P.copri菌株进行筛选和深入研究,发现菌株多样性和饮食习惯的相关性,并进一步验证挖掘了其在人体中的相关功能和在不同人群中的差异;

3、提示在菌群研究中,饮食习惯和生活方式对研究微生物和宿主关系的影响。

 

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