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      Cell:傅靜遠團隊開發出高精度腸道微生物指紋算法

      發布日期:2021-04-19
        我們的腸道中定殖著與身體細胞數量相當的微生物,包括細菌、真菌等。不同個體腸道微生物組成存在著差異,且在諸如荷蘭Lifelines、芬蘭FINRISK、英國UKbiobank、比利時FGFP、美國HMP等大型人群隊列研究中發現個體腸道微生物組成的差異與健康和疾病相關,包括心血管病、糖尿病、炎癥性腸病、癌癥等。

        然而個體間腸道微生物菌群組成及遺傳結構可隨著時間而變化,了解菌群個體特異性、穩定性或變異性將有助于了解菌群與人體自身健康狀態的因果關系,為開發基于改善腸道微生物從而促進人體健康的個性化醫療手段提供直接依據。

        2021年4月9日,荷蘭格羅寧根大學醫學中心傅靜遠教授團隊在Cell發表了題為:The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome的研究論文。

        該團隊陳連民、王道明博士等通過Lifelines隨訪隊列,探索了個體四年間腸道微生物組成的穩定性,發現部分腸道微生物的遺傳構成具有個體特異性,并利用這一特征針對性地開發了高精度腸道微生物指紋算法,實現通過測定糞便樣本中微生物的遺傳構成便可辯別樣本歸屬于哪位受試者,精確程度高達85-95%。

        該腸道微生物指紋算法可能在混淆樣品重排、法醫鑒定、個性化醫療等領域具有重要的應用價值。

        該研究還鑒別出許多不穩定腸道微生物,且這些微生物在含量、遺傳組成上的變化與宿主自身健康狀況的變化相關(圖1A)。例如:細菌豐度(圖1B)、細菌代謝通路豐度(圖1C)、細菌遺傳組成的變異(圖1D)、細菌遺傳組成的缺失(圖1E)等變化與宿主血壓、糖尿病指標、免疫細胞及抑郁癥等變化相關。
      圖1 腸道微生物變化與宿主表型變化相關

        為回答腸道微生物是如何影響宿主表型,研究人員認為腸道微生物可能通過其代謝功能產生眾多代謝物,從而被腸道上皮吸收進入血液大循環,最終得以影響機體代謝健康。為此,研究人員利用非靶向代謝組技術在血漿樣品中測定了一千多種代謝物的含量,發現近15%的代謝物可能由腸道微生物產生。

        進一步地,將腸道微生物變化與血漿代謝物相關聯,發現一些個體腸道中細菌菌株的改變與血漿代謝物變化相關。例如,個體腸道中益生菌菌株的變化與其血漿中多種心血管病相關的代謝物濃度變化相關(圖2)。
      圖2 Faecalibacterium prausnitzii菌株改變與血漿心血管病相關代謝物濃度變化相關

        除菌株層面變化外,腸道微生物的含量,特定遺傳組成等變化也與血漿代謝物廣泛相關,特別是與尿毒素及硫胺素等與心血管病及慢性腎病相關的代謝物(圖3)。值得注意的是,22.6%的菌群-代謝物關聯是在Blautia wexlerae的遺傳組成變異中發現,而這些變異區域具有編碼膜結構、氨基酸酶、尿酶和蛋白結合等功能。
      圖3 多種微生物特征變化與血漿代謝物相關

        研究人員進一步通過雙向中介分析揭示了腸道微生物通過其代謝物影響宿主血壓、血糖及血脂等心血管病指標(圖4)。極大程度上豐富了我們對于腸道微生物代謝物在人類健康和疾病中的分子作用機制的認識。研究發現微生物通過介導硫胺素和乙?;?N-甲?;?5-甲氧基犬尿氨酸(AFMK)以影響人體血壓。其中,硫胺素對人體心血管疾病的影響已經在臨床隨機對照試驗中驗證。AFMK是褪黑素的一種降解產物,可以通過抑制前列腺素合成來降低血壓。

        中介分析發現多種腸道細菌可以參與到這些通路中。例如微生物硫酸鹽還原生物通路可以通過提高血漿硫胺素的水平來降低血壓(圖4C);微生物脂多糖的合成也可以通過影響血漿AFMK來調節血壓(圖4D)。此外,研究者也發現了血液代謝物也介導了腸道菌群對人體血脂和血糖的影響。例如酪醇4-硫酸鹽,一種尿毒癥毒素,介導了球菌Ruminococcus的SV對人體低密度脂蛋白的影響(圖4E)。
      圖4 多種微生物特征變化與血漿代謝物相關

        除此以外,該研究還系統性地測定了腸道微生物所攜帶的抗生素抗性及毒性物質合成基因含量,發現隨著時間的推移腸道微生物所攜帶的抗生素抗性及基因含量有顯著的富集,且該富集可能與肉蛋奶等攝入量有關。

        陳連民博士表示,研究腸道微生物的穩定性及其與宿主健康狀態的關系極大地豐富了我們對于腸道微生物在人體健康與疾病中的作用的認識,一定程度揭開了腸道微生物在人體健康和疾病中的神秘面紗,為開發通過靶向腸道微生物進而改善人體健康狀態的個性化精準醫療提供了重要資料參考。

        論文鏈接:

        https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.024


        來源:網絡

       
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