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2018-08-21浏览量:1545

在巴萨乡村和尼日利亚城市个体中婴儿和成人肠道微生物组和代谢组特征

导读

年龄和地理是微生物组变化的两个主要因素,对其研究可评估人类肠道微生物群与生存有关的变化。为此,本研究调查了来自巴萨农村地区的农民和来自尼日利亚城市个体,包括婴儿和成人的粪便微生物组和代谢组,并将数据与全球不同生活水平的人进行比较。数据突出显示,随着城市化进程,某些特征逐渐丧失,如降解原始纤维的微生物主导优势,与此同时,个体间差异更小的特征。对于巴萨农民来说,个体间差异较小的特点是他们生存相关实践的结果,这些实践有利于微生物传播,例如广泛的环境接触和使用未经处理的乌苏玛河水。在巴萨群体中观察到微生物高度分散消除了婴儿和成人肠道生态系统之间的差异,这表明西方群体中的婴儿型微生物群可能是由城市化促成的微生物群新型特征。

文献ID

题目: Infant and Adult Gut Microbiome and Metabolome in Rural Bassa and Urban Settlers from Nigeria

译名:在巴萨乡村和尼日利亚城市个体中婴儿和成人肠道微生物组和代谢组特征

期刊:Cell Reports

年份:2018年6月        IF= 8.282

通讯作者:Funmilola A. Ayeni

通讯单位:伊巴丹大学药学系药学微生物学系

材料与方法

 实验设计

本研究在巴萨收集 9名成人(60岁以下)和9名婴儿(<3岁)的个体;在尼日利亚首都(阿布贾)收集18名成年人(5-75岁)和12名婴儿(<3岁)的城市个体,进行粪便微生物群和代谢组测定。

微生物组:16S rDNA V3-V4区(F341-R805),Miseq PE300测序。

代谢组:采用气相色谱-质谱(GC-MS)定量短链脂肪酸;采用AbsoluteIDQp180试剂盒进行其他代谢组学靶向定量,包括酰基肉碱,氨基酸,生物胺,己糖,鞘脂和甘油磷酸。

 

(A)巴萨的地理位置; (B)传统的巴萨村; (C)乌苏马河,巴萨生活的主要水源。图1. 巴萨的地理和生活模式

  测序区域及平台

16S rDNA V3-V4区(F341-R805),Miseq PE300测序

研究成果

一、巴萨和尼日利亚城市人肠道微生物群的特征

根据Yatsunenko等人2012年报告,其中对18名巴萨人 (9名年龄<3岁婴儿和9名3-60岁成人)和30名尼日利亚城市人(12名年龄<3岁婴儿和18名年龄在5-75岁成年人)粪便样本的16S rRNA基因测序进行分析。多样性分析发现,不同地区和年龄总体的Alpha多样性类似(图2A和2B)。然而巴萨婴儿菌群中OTU数量(平均值为758)显著高于在城市成年人,更高于巴萨成人和城市婴儿。

UniFrac分析,加权和未加权分析结果均显示巴萨人和城市人微生物组成之间存在差异(图2C和2D),除城市成人和婴儿之间未加权分析显示微弱的差异,其他年龄组之间没有差异。根据未加权的UniFrac距离分析发现,城市婴儿与城市成年人组内样品差异更大(图2E)。而基于加权UniFrac距离分析则发现相反结果,巴萨成人内部的个体差异大于婴儿,并且也大于城市组(图2F )。

图2. 巴萨和尼日利亚城市人肠道微生物群的多样性

(A-B)Alpha多样性:谱系Alpha多样性(A)和观察到的OTUs(B);(C-F)Beta多样性,UniFrac距离和 PCoA散点图;基于未加权(C和E)和加权(D和F)。 条形图中的不同字母(平均值±SD)表明显着性差异(p <0.05,Kruskal-Wallis检验)。 橙色代表巴萨婴儿(BI),红色代表巴萨成人(BA),绿色代表城市婴儿(UI),橄榄绿代表城市成人( UA)。图2. 巴萨和尼日利亚城市人肠道微生物群的多样性

在门水平,厚壁菌和拟杆菌是农村和城市个体肠道的优势微生物群(图3A)。此外,巴萨个体肠道微生物群落中螺旋菌和梭状杆菌相对富集,而放线菌属则相对较少。与城市个体相比,主要不同的属来源于毛螺菌科和瘤胃菌科,如劳特氏菌属,粪球菌属,毛螺菌属,霍氏真杆菌和颤螺菌属,这些属在巴萨个体肠道微生物群中含量较低(图3B)。值得注意的是,嗜淀粉瘤胃杆菌属和丁酸弧菌属仅存在巴萨个体肠道微生物群中,而巨单胞菌属仅在城市个体中被检测到(图3C)。

图3.巴萨和城市尼日利亚人的肠道微生物组成

(A)门类水平的相对丰度。图下方条形颜色:橙色代表巴萨婴儿;红色代表巴萨成人;绿色代表城市婴儿;橄榄绿代表城市成年人。(B)巴萨和尼日利亚城市人之间主要差异属的log2倍变化(p <0.05,Wilcoxon秩和检验)。星号(*)表示OTU在较高的分类级别未分类。(C)盒形图显示在巴萨(丁酸弧菌属和嗜淀粉瘤胃杆菌属)或城市个体(巨单胞菌属)的肠道微生物群中唯一检测到的属的相对丰度。
 进一步分析巴萨和城市个体肠道微生物的共生群(CAG)。根据Kendall相关性在属水平概括出4个CAG,每个CAG根据相对丰度最高的属来命名(图4)。有趣的是,普氏粪杆菌CAG(黄色)显示出几种产生短链脂肪酸(SCFA)(包括产丁酸的霍氏真杆菌和规则粪球菌以及产乙酸的劳特氏菌属,拟杆菌,吉氏副拟杆菌双歧杆菌和毛螺菌属)的菌群,这些菌在巴萨婴儿和成年人个体微生物群中都不存在,表明该研究人群存在其他肠生态系统来支撑SCFA的产生。另一方面,普氏菌CAG(浅蓝色)在巴萨个体中丰度更高,并且显示出具有纤维或淀粉降解和致癌能力的巴萨特异性共生细菌,如普氏菌属和琥珀酸弧菌属和考拉杆菌属(一种产不溶性琥珀酸和丙酸的细菌),表明存在产生丙酸的交互共生机制。从婴儿到成年人的CAG间和CAG内出现特异性变化,特别是城市人体来说,西方人常见的产SCFA菌和其他共生菌的比例伴随着从婴儿向成人群体转变的而变化,同时罗斯氏菌属CAG(深蓝色)丰度也在增加。另外,巴萨个体中,从婴儿到成人的罗斯氏菌属 CAG丰度下降。此外,在巴萨个体由婴儿向成人过渡期间,观察到小杆菌属CAG(粉红色)向普雷沃菌属CAG(浅蓝色)转变,伴随着Turicibacter菌属,链球菌属和真杆菌属比例的增加。

图4.不同群体肠道微生物群的共生群(CAG)

(A-D)四种已鉴定微生物,巴萨婴儿(A),巴萨成人(B),尼日利亚婴儿人(C),尼日利亚成人(D)。 CAG根据最丰富的属命名:普氏粪杆菌(黄色),小杆菌属(粉红色),罗斯氏菌属(深蓝色)和普雷沃菌属(浅蓝色)。 每个节点代表一个属,节点之间的连接表明属间显著正相关(Kendall相关性);线条粗细与相关强度成正比。 仅考虑至少30%受试者中含有,且相对丰度>0.1%的属。星号(*)表示OTU在较高的分类级别未分类。 

进一步检测乌苏马河水样中的微生物群落,这是巴萨日常生活的主要水源,乌苏马河的优势门是变形杆菌门和厚壁菌门,酸杆菌门,绿弯菌门,拟杆菌门,浮霉菌门和放线菌门是其他主要菌门(图5A)。在变形菌门内,β-变形菌纲是主导菌群,其次是α-变形杆菌纲,γ-变形菌纲和δ-变形菌纲(图5B)。有趣的是,可识别的丰富的(相对丰度> 1%)肠道微生物群属中典型的共生体属于梭菌纲,特别是毛螺菌科和瘤胃菌科,例如颤螺菌属和布劳特氏菌属(累积相对丰度10.62%)(图5C)。

图5.乌苏马河水的微生物特征

(A)主要门的相对丰度;

(B)变形菌纲的分布;

(C)前21个最丰富的属,相对丰度> 1%;

星号(*)表示OTU在较高的分类级别未分类。

 2、巴萨和尼日利亚城市个体的粪便代谢组特征

气相色谱-质谱(GC-MS)分析SCFA,显示巴萨(3名婴儿和8名成人)与城市人(8名婴儿和15名成人)存在显著差异,巴萨富含丙酸盐,而乙酸盐相对较少(p<0.005,Wilcoxon秩和检验)。 此外,巴萨不同年龄组呈现不同的SCFA特征,与成人相比,巴萨婴儿含有更多的乙酸盐和戊酸盐(图6A)。通过不同群体代谢谱185种关键代谢物之间欧几里德距离的PCA分析显示,巴萨(3名婴儿和6名成人)与城市人群(7名婴儿和14名成人)PC2显著不同(adonis:p = 0.04,R 2 = 0.11; ANOSIM:p = 0.03,R = 0.21)(图6B)。沿着PC1(其几乎占所有变异的81.4%)婴儿组与各自成人组分离(p< 0.04,Wilcoxon秩和检验),成人组的代谢组学分布位于轴的正值。与PC1呈正相关的微生物分类群(即由代谢物产生的群内分离)包括颤螺菌和未分类的Christensenellaceae属。就婴儿而言,己糖在巴萨婴儿代谢组中占主导地位,而牛磺酸在城市婴儿代谢组中占很大比例(图6B)。

进一步分析巴萨和城市个体粪便代谢组之间的CAG(图6C)。研究结果,丙氨酸CAG(褐色),包括大部分氨基酸,仅存在于成人的粪便代谢组中,且在城市中比农村个体更具代表性。 相反,己糖CAG(乳白色),也包括几种甘油磷脂,一些酰基肉碱以及大多数生物胺,在婴儿代谢组中更多,且在农村比城市更多。苏氨酸CAG(紫色)除巴萨婴儿外,存在所有研究组中。天冬酰胺,组胺和乙酰鸟氨酸代谢是巴萨个体特有,且与年龄无关。在城市婴儿的CAG中缺乏组胺以及乙酰鸟氨酸和鸟氨酸,表明城市婴儿建立可替代的协同代谢途径。与巴萨相反,在城市人群中未观察到婴儿和成人CAG之间的重叠,这与西部地区的与年龄有关的微生物分布特征相一致。

图6. 巴萨和尼日利亚城市人的粪便代谢组

(A)箱形图显示短链脂肪酸的相对丰度分布;(B)研究人群代谢谱之间欧几里德距离的PCA分析。主要判别的代谢物被绘制在图上。肠道微生物群与PC1和PC2显着相关的属(p <0.05,Kendall相关性分析)分别显示在底部和右侧。红色代表巴萨成年人(BA),橙色代表巴萨婴儿(BI),橄榄绿代表城市成年人(UA),绿色城市婴儿(UI);(C)已鉴定的代谢组共丰度群(CAG)变异模式,巴萨(上图)和城市人(下图),婴儿(左)和成人(右)。每个节点代表一种代谢物,其大小与丰度成正比。节点之间的连接表明代谢物之间显着正相关(p <0.05,Kendall tau相关性分析)。

3、 银屑病病灶的微生物分类及功能的变化

将巴萨和尼日尔城市居民的属丰度概况与其他报道数据进行比较,涉及哈扎狩猎-采集者群体,马拉维和委内瑞拉亚马逊州的农村以及意大利和美国的城市工业化地区的个体。结果表明巴萨和其他传统农村个体之间的Bray-Curtis距离低于巴萨和城市人之间的距离(图7A)。使用已经公布的数据集做贝叶斯源追踪分析证实,农村来源样本占巴萨微生物群的绝大多数(平均81%),其中狩猎-采集者群体对于这些来源贡献高达59%(图7B和7C)。与成人相比,农村地区以及狩猎-采集者群体对巴萨婴儿的贡献更大,未知来源相应减少。这些结果支持尼日利亚城市人代表农村传统与完全城市工业生活方式之间的过度类型的推论,尼日利亚城市菌群对农村的贡献(平均值57%)高于其他城市群体菌群贡献率(32%)(图7B和7C)。根据生存策略和年龄,这些交叉分析研究代谢组学数据,聚为不同的群(图7D)。 特别是,巴萨人与所有其他人分离,而尼日利亚城市人与城市意大利人重叠,同样富含苯丙氨酸和酪氨酸。尽管如此,尼日利亚的城市人仍然与意大利人有较大的甘油磷脂,鞘脂和酰基肉碱差。另一方面,传统生存群体之间也存在差异,通过比较巴萨和哈扎成人,发现巴萨富集生物胺和氨基酸,而哈扎富集己糖。但婴儿相比,巴萨和哈扎婴儿的代谢特征更接近,以己糖为主要的差异代谢物(图7D)。

图7. 微生物分类学和代谢组与全球的数据相比较,表明不同地区存在不同的生存策略

(A)属水平微生物群分布之间 Bray-Curtis的距离(平均值±SD)。使用哈扎狩猎-采集人群和意大利城市成年人(Schnorr等,2014),马拉维和委内瑞拉亚马逊州的农村人以及美国城市成年人的公开数据(Yatsunenko等,2012);(B和C)贝叶斯源追踪分析,巴萨和尼日利亚城市人(B)和单个样本内的平均值(C);直方图下方的条形,橙色代表巴萨婴儿,红色代表巴萨成人,绿色代表城市婴儿,橄榄绿代表城市成年人。 直方图中颜色深蓝色,浅蓝色,砖红色和灰色分别代表狩猎-采集生活,农村农业,城市和未知来源;(D)研究群体代谢组间欧几里德距离的PCA。

研究结论

1、传统生活方式人群的微生物变异减少。

2、产丁酸的霍氏真杆菌和规则粪球菌以及产乙酸的劳特氏菌属,拟杆菌,吉氏副拟杆菌双歧杆菌和毛螺菌属)的菌群,这些菌在巴萨婴儿和成年人个体微生物群中都不存在,表明该研究人群存在其他肠生态系统支撑SCFA的产生。

3、具有纤维或淀粉降解潜力和致癌能力的普氏菌属、琥珀酸弧菌属和考拉杆菌属(一种产不溶性琥珀酸和丙酸的细菌),在巴萨个体中丰度更高,表明存在产生丙酸的交互共生机制。

4、城市婴儿的微生物和代谢数据证实,在发达国家,<3岁婴儿的肠道微生物群是不稳定的,具有高度的个体间差异性,随年龄增长逐渐接近更复杂和稳定的成人型微生物群。

5、生活方式,而非地理因素,推动了肠道生态系统的结构趋同。从农业前期到现代生活方式的转变存在梯度变化。

亮点

巴萨村民及尼日尔城市居民和城市化人群的肠道生态系统的微生物和代谢特征提供了对跨越不同生存策略的复杂宿主-微生物群关系的深入了解,促进了我们对可能伴随人类进化史的肠道微生物群落和代谢组网络变化的理解。但最重要的是,强调了逐渐采用西方生活方式是选择丢失古代特性的主要驱动因素。此外,本研究结果支持在早期生活中存在不同的肠道生态发育轨迹,这取决于人类的生态环境。

为了评估结果的使用范围,确立生活方式对我们肠道组成、功能结构及其生命周期轨迹的实际影响需要对更大的全球群组开展进一步的研究。

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