腸道微生物多樣性及其與人體代謝相關性的研究.pdf

1、人體腸道微生物組是人體最龐大而復雜的微生物群落,也是人體的一個重要的代謝"器官".在哺乳動物中,腸道微生物在營養(yǎng)物質的攝取、上皮細胞的生長發(fā)育、免疫及藥物的代謝和毒性方面起重要作用.由于大多數微生物很難或不能用現有技術分離培養(yǎng),阻礙了人們對其認識.隨著分子生態(tài)學技術的發(fā)展,越來越多的尚未能培養(yǎng)的微生物的基因得到了認識.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行關聯(lián),及不同時間、居住環(huán)境、飲食和性別等對其的影響還未得到關注.此

2、外,腸道微生物與宿主的相互作用機制及關鍵功能菌的研究也很缺乏. 本研究采用16S rRNA克隆文庫技術對中國一家庭的7位健康成員的腸道微生物的多樣性進行了全面的認識,共檢測7,255條16SrRNA基因全長序列.根據99﹪的序列相似性,將這些基因序列共劃分476個進化型(phylotypes),其中273個新的進化型;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小組等報道結果基本一致.認識腸道微生物是闡明其與人體健康和疾病關系的第一步. 為進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、性別和飲食習慣等,本研究運用生物信息學、生態(tài)數據分析和多變量數據統(tǒng)計分析等手段,將此家庭的序列數據集與Scien

4、ce雜志已報道的5位美國個體的序列數據集一起,共11,656條16S rRNA全長序列,根據99﹪的序列相似性,共劃分為854個進化型.通過∫-Libshuff分析,結果表明此中國健康家庭成員的腸道菌群組成每個個體間均有顯著性差異;與己報道的5位美國個體的腸道菌群結構相比較,發(fā)現在門的水平上,結構和組成基本相似;在種的水平上,這兩個隊列間存在顯著的差異;此外,還發(fā)現腸道微生物組成結構與性別顯著相關. 大量研究發(fā)現微生物區(qū)系的功能通

5、常會隨著其組成同時發(fā)生變化.Nicholson小組發(fā)現中國人群與美國人群代謝表型存在顯著性差異,而我們的研究結果發(fā)現7位中國個體與5位美國個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聯(lián)呢?我們可以根據這一模式深入探索微生物組的組成與代謝表型動態(tài)變化,尋找潛在的共變異,鑒定與宿主互作過程中關鍵的功能菌,揭示宿主與共生微生物潛在的互作機制.因此,對此家庭的腸道微生物整體結

6、構研究之后,我們運用基于PCR-DGGE(變性膠梯度電泳)指紋圖譜技術監(jiān)測家庭成員腸道微生物組的組成結構整體變化;運用基于<'1>H NMR代謝組學技術監(jiān)測尿液代謝組譜變化;最后運用基于多變量統(tǒng)計分析方法-正交偏最小二乘法(OPLS),將此家庭成員的一個月時間間隔的整體代謝變化,同其腸道菌群結構和組成變化進行整體關聯(lián)分析,研究結果表明此家庭的腸道微生物組成結構與宿主的尿液代謝表型間存在關聯(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. 通過多變量數據統(tǒng)計分析,我們發(fā)現與人體代謝顯著相關的潛在的關鍵功能菌,經過鑒定發(fā)現與這些主要的功能菌最近緣的進化型為 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種代謝物質相關;通過對與性別顯著相關的條帶進行測序分析,發(fā)現與其最近緣的進化型為:Eubacterium eligens,Ruminococcus obeum,Klebsiella pneumoniae,Sutterella

9、 stercoricanis,Bacteroides thetaiotaomicron,Ruminococcus bromii.同時通過NMR二維譜對關聯(lián)分析找到的與功能菌相關的代謝物進行簽定.其中很多代謝物質為腸道微生物或腸道微生物與宿主共代謝的產物如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行了全面的認識;運用多變量數據分析,將腸道菌群結構和組成變化與人體尿樣代謝譜進行共變異分析;并提出一個新的研究策略從復雜的腸道微生物中尋找關鍵的功能菌,國內外尚未見類似報道.腸道微生物可以影響人體代謝表型這一現象的發(fā)現也為個體化診療提供新的研究線索和理論依據.此研究策略也可以應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制及尋找人體健康或疾病的生物標志物.