腸道微生物多樣性及其與人體代謝相關(guān)性的研究.pdf

1、人體腸道微生物組是人體最龐大而復(fù)雜的微生物群落,也是人體的一個(gè)重要的代謝"器官".在哺乳動(dòng)物中,腸道微生物在營養(yǎng)物質(zhì)的攝取、上皮細(xì)胞的生長發(fā)育、免疫及藥物的代謝和毒性方面起重要作用.由于大多數(shù)微生物很難或不能用現(xiàn)有技術(shù)分離培養(yǎng),阻礙了人們對其認(rèn)識(shí).隨著分子生態(tài)學(xué)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的尚未能培養(yǎng)的微生物的基因得到了認(rèn)識(shí).但是對這些尚未得到純培養(yǎng)的微生物的分類地位與其功能進(jìn)行關(guān)聯(lián),及不同時(shí)間、居住環(huán)境、飲食和性別等對其的影響還未得到關(guān)注.此

2、外,腸道微生物與宿主的相互作用機(jī)制及關(guān)鍵功能菌的研究也很缺乏. 本研究采用16S rRNA克隆文庫技術(shù)對中國一家庭的7位健康成員的腸道微生物的多樣性進(jìn)行了全面的認(rèn)識(shí),共檢測7,255條16SrRNA基因全長序列.根據(jù)99﹪的序列相似性,將這些基因序列共劃分476個(gè)進(jìn)化型(phylotypes),其中273個(gè)新的進(jìn)化型;系統(tǒng)發(fā)育地位上分屬6大菌門:壁厚菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(P

3、roteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobial)、梭桿菌門(Fusobacteria),與Eckburg、Gill小組等報(bào)道結(jié)果基本一致.認(rèn)識(shí)腸道微生物是闡明其與人體健康和疾病關(guān)系的第一步. 為進(jìn)一步研究可能影響人體腸道微生物多樣性的潛在因素如生活環(huán)境、性別和飲食習(xí)慣等,本研究運(yùn)用生物信息學(xué)、生態(tài)數(shù)據(jù)分析和多變量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等手段,將此家庭的序列數(shù)據(jù)集與Scien

4、ce雜志已報(bào)道的5位美國個(gè)體的序列數(shù)據(jù)集一起,共11,656條16S rRNA全長序列,根據(jù)99﹪的序列相似性,共劃分為854個(gè)進(jìn)化型.通過∫-Libshuff分析,結(jié)果表明此中國健康家庭成員的腸道菌群組成每個(gè)個(gè)體間均有顯著性差異;與己報(bào)道的5位美國個(gè)體的腸道菌群結(jié)構(gòu)相比較,發(fā)現(xiàn)在門的水平上,結(jié)構(gòu)和組成基本相似;在種的水平上,這兩個(gè)隊(duì)列間存在顯著的差異;此外,還發(fā)現(xiàn)腸道微生物組成結(jié)構(gòu)與性別顯著相關(guān). 大量研究發(fā)現(xiàn)微生物區(qū)系的功能通

5、常會(huì)隨著其組成同時(shí)發(fā)生變化.Nicholson小組發(fā)現(xiàn)中國人群與美國人群代謝表型存在顯著性差異,而我們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)7位中國個(gè)體與5位美國個(gè)體的腸道微生物的組成存在顯著性差異,因此我們得到這樣一個(gè)問題:此腸道微生物組成的差異是否與其各自的代謝表型存在關(guān)聯(lián)呢?我們可以根據(jù)這一模式深入探索微生物組的組成與代謝表型動(dòng)態(tài)變化,尋找潛在的共變異,鑒定與宿主互作過程中關(guān)鍵的功能菌,揭示宿主與共生微生物潛在的互作機(jī)制.因此,對此家庭的腸道微生物整體結(jié)

6、構(gòu)研究之后,我們運(yùn)用基于PCR-DGGE(變性膠梯度電泳)指紋圖譜技術(shù)監(jiān)測家庭成員腸道微生物組的組成結(jié)構(gòu)整體變化;運(yùn)用基于<'1>H NMR代謝組學(xué)技術(shù)監(jiān)測尿液代謝組譜變化;最后運(yùn)用基于多變量統(tǒng)計(jì)分析方法-正交偏最小二乘法(OPLS),將此家庭成員的一個(gè)月時(shí)間間隔的整體代謝變化,同其腸道菌群結(jié)構(gòu)和組成變化進(jìn)行整體關(guān)聯(lián)分析,研究結(jié)果表明此家庭的腸道微生物組成結(jié)構(gòu)與宿主的尿液代謝表型間存在關(guān)聯(lián);此外,此家庭成員的腸道菌群和代謝都與性別顯著相

7、關(guān). 通過多變量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,我們發(fā)現(xiàn)與人體代謝顯著相關(guān)的潛在的關(guān)鍵功能菌,經(jīng)過鑒定發(fā)現(xiàn)與這些主要的功能菌最近緣的進(jìn)化型為 B.thetaiotaomicron, B.uniformois, B.coprocola,Pseudobutyrivibrio ruminis,bacterium mpn-isolate group 25,Rum.bromii,Faecalibacterium prausnitzii 1-88, Sub

8、doligranulum variable BI-114, Bifidobacterium.pseudocatenula等,主要屬于擬桿菌屬和梭菌屬;尤其 Faecalibacterium prausnitzii與8種代謝物質(zhì)相關(guān);通過對與性別顯著相關(guān)的條帶進(jìn)行測序分析,發(fā)現(xiàn)與其最近緣的進(jìn)化型為:Eubacterium eligens,Ruminococcus obeum,Klebsiella pneumoniae,Sutterella

9、 stercoricanis,Bacteroides thetaiotaomicron,Ruminococcus bromii.同時(shí)通過NMR二維譜對關(guān)聯(lián)分析找到的與功能菌相關(guān)的代謝物進(jìn)行簽定.其中很多代謝物質(zhì)為腸道微生物或腸道微生物與宿主共代謝的產(chǎn)物如phenylacetylglutamine(笨乙?；?谷氨酸鹽),4-cresol sulphate(4-甲酚硫酸鹽),4-hydroxyphenylacetate(4-羥基-乙酸苯酯)

10、. 本研究對中國一四代家庭7位成員的腸道菌群進(jìn)行了全面的認(rèn)識(shí);運(yùn)用多變量數(shù)據(jù)分析,將腸道菌群結(jié)構(gòu)和組成變化與人體尿樣代謝譜進(jìn)行共變異分析;并提出一個(gè)新的研究策略從復(fù)雜的腸道微生物中尋找關(guān)鍵的功能菌,國內(nèi)外尚未見類似報(bào)道.腸道微生物可以影響人體代謝表型這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也為個(gè)體化診療提供新的研究線索和理論依據(jù).此研究策略也可以應(yīng)用于探索腸道微生物與宿主的共代謝過程,研究腸道微生物與宿主潛在的相互作用機(jī)制及尋找人體健康或疾病的生物標(biāo)志物.