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2019-06-20浏览量:1652

『锐帮读』多组学分析探究遗传、饮食因素对小鼠认知衰退的影响程度

导读

研究表明微生物群落可能参与神经病理学的发病机制。其中,精神疾病、孤独症和帕金森病受到的关注最多;然而,人们对阿尔茨海默病和痴呆症却知之甚少。由于人口老龄化和日趋频繁、严重的诱发条件,流行病的流行率正以惊人的速度增长。最近研究发现在患有阿尔茨海默症的小鼠和人群中,神经退行性改变发生在肠道,类似于大脑。肥胖是导致认知衰退和阿尔茨海默症最常见的风险因素,高脂饮食被证明可以加速认知退化,特别是在遗传易感性模型中,而高脂饮食可以改变肠道功能和菌群组成。本研究旨在识别遗传性痴呆发病前的肠道菌群-代谢组学特征。

 

文献ID

题目:Microbiome-metabolome signatures in mice genetically prone to develop dementia, fed a normal or fatty diet

译文:给易患痴呆症小鼠喂食正常/高脂饮食下的微生物组-代谢组图谱分析

杂志:Scientific Reports  IF:4.122

发表时间:2018年

通讯作者:Silvia Burchielli & Patricia lozzo

通讯单位:意大利比萨国家研究委员会临床生理学研究所

 

材料与方法

  

实验设计

1、动物模型和实验设计

准备18只B6129SF2/J和15只三转基因(3xtg)雄性小鼠,分组如下:1组小鼠饲喂正常饮食(ND,n=9,B6129SF2型),2组小鼠饲喂高脂饮食(HFD,n=9,B6129SF2型),3组小鼠饲喂正常饮食(ND,n=8,3xtg型),4组小鼠饲喂高脂饮食(HFD,n=7,3xtg型)。饲养期间定期评估小鼠的体重、认知能力和大脑葡萄糖代谢。最后对小鼠进行安乐死,收集血液和粪便样本(盲肠、结肠)用于血清、粪便代谢组和肠道菌群分析。

2、Y迷宫测试认知能力

3、FDG PET/CT测试小鼠大脑葡萄糖代谢

4、血清、粪便代谢产物的核磁共振(NMR)分析

对33例血清样本,55例粪便样本(27例盲肠、28例结肠)进行核磁共振检测,分析代谢产物。

5、肠道菌群的16s rDNA测序分析

对55例粪便样本(27例盲肠、28例结肠)进行16S rDNA测序分析。

 

测序区域及平台

测序平台:Illumina Miseq

测序策略:V3-V4区

 

研究成果


1


研究发现,在饲喂末期(小鼠8个月大),高脂饮食小鼠的体重显著高于正常饮食小鼠,尽管高脂饮食的3xtg小鼠体重有超过正常饮食的3xtg小鼠的趋势,但尚未达到显著性差异。Y迷宫测试结果显示3xtg小鼠认知能力衰退20-40%,但未达到显著性差异。通过FDG PET/CT法对小鼠脑葡萄糖代谢水平进行检测,发现3xtg及3xtg-HFD组小鼠出现显著的大脑衰退(表1)。

 

表1 FDG-PET测定局部脑葡萄糖代谢

 

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通过NMR技术从所有血清和粪便样本中分别检测出77和99种代谢产物,并建立了用于检测全球个体代谢趋势的化学计量模型(图1)。PCA分析展示出3xtg和对照组小鼠血清代谢物组成存在显著差别,表明基因型能够影响代谢产物(图1a),且基因型的影响大于饮食方式。与血清相比,粪便样本的代谢物组成差异较小,饮食方式的影响大于基因型(图1b,c)。

 

图1 3xtg小鼠及对照组小鼠的代谢组PCA图

 

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与正常饮食小鼠相比,高脂饮食小鼠血清中炎症标志物(糖蛋白乙酰化生物标志物,GlycA)、乳酸和白蛋白水平显著增加(图2)。

 

图2 3xtg小鼠与对照组小鼠血清代谢组图谱

 

4


在粪便代谢组水平上,小鼠结肠和盲肠代谢产物无显著差别(图3)。

 

图3 3xtg小鼠与对照组小鼠的粪便代谢组图谱

 

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3xtg基因型诱导小鼠血清代谢组发生强烈变化,但是宿主-微生物共代谢组(粪便)只发生微小变化。与对照组小鼠相比,无论是普通饮食还是高脂饮食,3xtg小鼠血清代谢产物均发生显著变化,血清中炎症标志物(GlycA)、乳酸、白蛋白、赖氨酸、亮氨酸、异亮氨酸水平显著提高,而不饱和脂肪酸、低密度脂蛋白、胆碱水平则降低。此外,3xtg小鼠体内三甲胺(TMA)水平显著提高,而三甲胺N-氧化物水平也有上升趋势。在粪便水平,3xtg小鼠的结肠或盲肠中鸟氨酸、酪氨酸水平显著增加。

 

6


与对照组相比,喂食高脂饮食的3xtg小鼠血清和粪便代谢产物也发生显著变化(图2),血清中亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、白蛋白、葡萄糖、乳酸、甘油、谷氨酸盐水平显著提高,而脂肪酸水平下降。此外,高脂饮食和3xtg基因型还影响酮体通路,净效应导致HFD-3xtg小鼠体内酮体显著减少。

 

7


基于OTU水平的ANOSIM分析结果显示结肠和盲肠微生物存在显著差异。在正常饮食组中,小鼠结肠比盲肠拥有更高比例的拟杆菌门、更低比例的厚壁菌门。在科水平,盲肠中有更高丰度的毛螺菌科以及更低丰度的S24.7。进一步进行LEfSe差异分析,发现S24.7在正常饮食小鼠的结肠中显著富集,而肠球菌科在3xtg小鼠的结肠中显著富集。此外,3xtg小鼠的盲肠中含有更高丰度的颤螺菌属和更低丰度的肠球菌属。

 

8


RDA分析表明高脂饮食和正常饮食小鼠的结肠、盲肠样本菌群组成存在显著差异(图4a,b)。在科水平,双歧杆菌科、乳杆菌科、S24.7的相对丰度在高脂饮食组中显著降低,理论研菌科、Mogibacteriaceae、毛螺菌科、肠球菌科相对丰度在高脂饮食组中显著提高。类似结果也出现在盲肠样本中。在属水平,高脂饮食小鼠的结肠中存在较低丰度的未知Peptococcaceae、双歧杆菌属和乳杆菌属,而未知RikenellaceaeMogibacteriaceaeEnterococcaceae属相对丰度则显著提高。此外,正常饮食和3xtg小鼠的结肠、盲肠样本菌群组成也存在显著差异(图4c,d)。在科水平,3xtg小鼠结肠中含有较低丰度的S24.7和高丰度的肠球菌科、Turicibacteraceae。在属水平,3xtg小鼠的盲肠中含有较低丰度的双歧杆菌属和rc4.4,更高丰度的Roseburia

 

图4 高脂饮食和3xtg小鼠肠道菌群的RDA分析

 

9


LEfSe差异分析揭示在健康饮食组,小鼠结肠要比盲肠拥有更高丰度的S24.7,而盲肠比结肠中富集更多的双歧杆菌科(图5a)。在高脂饮食小鼠体内,肠球菌科和理研菌科在结肠中富集,而毛螺菌科和Staphylococcaecae在盲肠中富集。韦恩图展示4组小鼠肠道中共有13个核心物种(图5c,d),双歧杆菌科仅存在于健康饮食小鼠的结肠和盲肠中。健康饮食小鼠的结肠和盲肠中S24.7和毛螺菌科显著富集,肠球菌科和Turicibacteriaceae在3xtg小鼠结肠中显著富集(图5b)。在属水平,turicibacter、葡萄球菌属在3xtg小鼠结肠中显著富集,红孢子虫属在3xtg小鼠盲肠中显著富集。

 

图5 饮食方式、基因型、肠道取样位置显著影响肠道菌群组成

 

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对样本进行PCA分析,3xtg小鼠与对照组小鼠能够明显区分开来(图6a,b),表明组间微生物结构存在差异。RDA分析结果也显示饮食状态、肠道部位的不同均会影响肠道菌群构成(图6c,d)。

 

图6 基于微生物结构的不同组样本的PCA和RDA分析

 

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热图分析显示3xtg小鼠和正常饮食小鼠的结肠微生物与血清代谢物之间存在关联性(图7)。双歧杆菌、S24.7与乳酸、苹果酸、氨基酸水平呈负相关,与低胆固醇、低密度脂蛋白、脂肪酸水平呈正相关。类芽孢菌属、Dorea等与胆固醇、脂肪酸水平呈负相关。rc4.4菌与循环氨基酸呈负相关,与胆固醇和脂肪酸呈正相关。葡萄球菌属和未知肠球菌属与乳酸、苹果酸、乙酰肉碱、琥珀酰丙酮、丙酮酸以及氨基酸呈正相关。

 

图7 结肠微生物组和血清代谢组关联分析

 

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热图分析还用来检测结-盲肠微生物与大脑参数之间的相关性,图8所示。结果显示大脑代谢减退与高丰度的厚壁菌门、anaeroplasmataceaeErysipelotrichaceae科以及类芽孢菌属、梭菌属、红孢子虫属、氏菌属密切相关,与低丰度的拟杆菌门、消化球菌科、理研菌科、Dehalobacteriaceae、s24.7科以及rc4.4Dehalobacterium、未知CoriobacteriaceaRikenellaceae属密切相关。此外,高丰度的双歧杆菌科和Erysipelotrichaceae科,双歧杆菌属和rc4.4属与认知功能存在正相关关系;粪芽孢菌属、DoreaRoseburia和未知Peptococcaceae属与认知功能存在负相关关系。

 

图8 肠道微生物组和脑参数之间的关联

 

研究结论

本研究结果表明转基因背景能够对肠道微生物组-代谢组产生影响,且这种影响力随着高脂饮食增强。微生物组-代谢组谱变化可能先于明显的认知障碍发生,表明其具有预测或风险分层潜力。

 

亮点

1、研究设计新颖,巧妙将基因型和饮食方式有效结合。

2、通过代谢组、微生物组等多组学分析方法,揭示高脂饮食和基因型对小鼠肠道菌群和代谢物的影响。

3、证明肠道菌群和代谢产物紊乱发生在痴呆症发病之前。

 

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