2017-03-10
派(pai)森諾(nuo)生物在腸道微生物組研究領(ling)域已積(ji)累了(le)非常(chang)豐富(fu)的經驗。繼之前多篇(pian)腸道微生物文章發(fa)表后(hou)，如(ru)今又與上(shang)海(hai)交通大學再(zai)次(ci)聯手，于2016年(nian)在《Genetics Selection Evolution》（影響因子2.895）上(shang)發(fa)表雞腸道菌(jun)群相關論文一篇(pian)。
研究背景
腸(chang)(chang)(chang)道(dao)中定(ding)植的(de)大量微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)構成了復(fu)雜而(er)龐(pang)大的(de)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)網(wang)絡。這些腸(chang)(chang)(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)與宿(su)(su)(su)(su)主(zhu)之間(jian)存在著復(fu)雜的(de)共生(sheng)(sheng)(sheng)、共代謝及(ji)共同演(yan)化關(guan)系。已有(you)研究(jiu)表明，宿(su)(su)(su)(su)主(zhu)所(suo)表現出(chu)來的(de)許多生(sheng)(sheng)(sheng)理性(xing)(xing)狀(zhuang)及(ji)慢性(xing)(xing)病，如(ru)肥(fei)胖、高血壓、糖(tang)尿(niao)病等，都與腸(chang)(chang)(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)有(you)關(guan)。然(ran)而(er)，腸(chang)(chang)(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)與宿(su)(su)(su)(su)主(zhu)間(jian)相互(hu)作用的(de)特點(dian)(dian)和規律，尚不清楚。現如(ru)今(jin)的(de)研究(jiu)大都集(ji)中體(ti)現在腸(chang)(chang)(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)的(de)分類及(ji)組成差(cha)異對宿(su)(su)(su)(su)主(zhu)的(de)影響(xiang)，而(er)鮮有(you)以腸(chang)(chang)(chang)道(dao)菌群(qun)的(de)功能特性(xing)(xing)差(cha)異為出(chu)發點(dian)(dian)對腸(chang)(chang)(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)與宿(su)(su)(su)(su)主(zhu)間(jian)的(de)相互(hu)作用進行研究(jiu)。
研究目的
為(wei)了降低腸道微(wei)(wei)生物的(de)(de)復(fu)雜度，及盡可能地減小母體遺(yi)傳(chuan)的(de)(de)影響(xiang)，本實驗以雞(ji)為(wei)生物模型，以其腹部(bu)脂肪重(zhong)(zhong)量(liang)為(wei)篩選指標(biao)，通(tong)過15代的(de)(de)歧(qi)化選擇，篩選出了兩組(zu)雞(ji)樣(yang)本。其中肥胖組(zu)的(de)(de)腹部(bu)脂肪重(zhong)(zhong)量(liang)為(wei)瘦組(zu)的(de)(de)4.5倍。結(jie)合微(wei)(wei)生物多樣(yang)性組(zu)成譜(pu)研(yan)究(jiu)和宏基因組(zu)學(xue)研(yan)究(jiu)，對兩組(zu)雞(ji)的(de)(de)糞便樣(yang)本分別(bie)進(jin)行微(wei)(wei)生物多樣(yang)性和宏基因組(zu)測(ce)序，旨在通(tong)過對兩組(zu)樣(yang)本間的(de)(de)微(wei)(wei)生物多樣(yang)性差異及功能差異進(jin)行比較，探究(jiu)腸道微(wei)(wei)生物與(yu)不同生理性狀的(de)(de)宿主間的(de)(de)互相(xiang)作用(yong)機(ji)制(zhi)。
研究方法
1、測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平(ping)臺
測(ce)序模式(shi)：微(wei)(wei)生(sheng)物組16S rRNA基因V4區測(ce)序
實驗對象：肥胖(pang)組(zu)公雞29只(zhi)、母雞27只(zhi)；
瘦組公(gong)雞26只、母雞27只
實驗設計：分別(bie)采集肥胖組和(he)瘦組的公雞和(he)母雞的第35周的糞(fen)便樣本(ben)
2、測(ce)序(xu)技術：Illumina HiSeq 2000高通量測(ce)序(xu)平臺
測序(xu)模式：2*100bp
實(shi)驗對象(xiang)：肥胖組(zu)母(mu)雞3只
瘦組母雞(ji)3只
實驗設(she)計：分(fen)別采集肥胖(pang)組(zu)和瘦組(zu)的(de)母雞的(de)第35周的(de)糞便(bian)樣本
研究結果
對(dui)109份(fen)雞(ji)糞便樣本進行微(wei)生物(wu)多樣性組成譜測序(xu)，數據分(fen)析結果顯示，長期(qi)的歧化選擇(ze)使得(de)肥胖組和瘦組的部分(fen)腸(chang)道微(wei)生物(wu)種(zhong)類(lei)表現出(chu)豐度(du)差異(yi)。在(zai)兩組雞(ji)糞便樣本中，我們發現，有(you)4個(ge)門(men)水(shui)平的微(wei)生物(wu)在(zai)雞(ji)腸(chang)道中占(zhan)據地位。其中，Firmicutes所占比重(zhong)最大，其次為(wei)Proteobacteria、Fusobacteria和Actinobacteria。在門水(shui)平，兩組中的占比差異最大(da)的為Fusobacteria（肥胖組為(wei)8%，瘦組為(wei)18%），其次為Proteobacteria（肥(fei)胖組為33%，瘦組為24%）。在屬水平，兩組中(zhong)的(de)占比差(cha)異最大的(de)為Fusobacterium（肥胖(pang)組為9%，瘦組為20%）。分析及統計結果顯示，兩組樣本間共(gong)有8個(ge)(ge)門、52個(ge)(ge)屬、11個(ge)(ge)種(zhong)的微生物(wu)差異較為顯著。
; 肥胖組(zu)和瘦組(zu)雞腸道菌群在門(men)、屬、種水平(ping)的組(zu)成
肥胖組(zu)和瘦組(zu)雞腸道菌群有差異的屬(shu)
對6份母雞糞便樣本進行宏基因組測序(xu)(xu)，將非(fei)冗余蛋白序(xu)(xu)列集與KEGG代謝(xie)(xie)(xie)通(tong)(tong)(tong)路(lu)數據庫比對，得(de)到不同代謝(xie)(xie)(xie)通(tong)(tong)(tong)路(lu)的(de)KO注釋(shi)信息。結果發現，瘦組樣本的(de)氨基酸代謝(xie)(xie)(xie)、能量代謝(xie)(xie)(xie)、脂代謝(xie)(xie)(xie)及細胞運動性的(de)代謝(xie)(xie)(xie)通(tong)(tong)(tong)路(lu)占比是(shi)肥胖(pang)組的(de)兩倍。而在肥胖(pang)組樣本中，蛋白翻譯、信號(hao)轉導、萜(tie)類化合物(wu)和(he)聚酮類化合物(wu)代謝(xie)(xie)(xie)、蛋白折(zhe)疊、次級代謝(xie)(xie)(xie)產物(wu)的(de)合成及癌癥(zheng)等相關通(tong)(tong)(tong)路(lu)較(jiao)豐富。
肥胖(pang)組和瘦(shou)組雞腸(chang)道菌群KEGG代謝通路的比較(jiao)
通過對(dui)宏基因組(zu)數據進行分(fen)析發現，差異較(jiao)顯(xian)著的代(dai)(dai)謝(xie)通路(lu)中，在瘦組(zu)中，肌(ji)醇磷(lin)酸(suan)(suan)代(dai)(dai)謝(xie)、抗原加(jia)工和(he)(he)表達、膦(lin)酸(suan)(suan)酯和(he)(he)次膦(lin)酸(suan)(suan)酯代(dai)(dai)謝(xie)更為豐富；與(yu)之相反地，在肥胖組(zu)中，更多的則是(shi)三羧酸(suan)(suan)循環、PPAR信號通路(lu)、固磷(lin)作(zuo)用、細胞粘(zhan)附分(fen)子等相關代(dai)(dai)謝(xie)通路(lu)。
肥胖組和瘦(shou)組雞腸道(dao)菌群有差異的(de)KEGG代謝通路
通過熱圖(tu)，我(wo)們(men)可以更深(shen)入地解析肥(fei)(fei)胖組(zu)和(he)(he)瘦組(zu)樣本間的微(wei)生物功(gong)能(neng)分(fen)布規律(lv)。熱圖(tu)結果顯示，在瘦組(zu)，轉氨(an)(an)酶(mei)(mei)、精氨(an)(an)酸(suan)(suan)(suan)脫羧酶(mei)(mei)、細胞色素氧化酶(mei)(mei)、肌(ji)醇磷酸(suan)(suan)(suan)磷脂激酶(mei)(mei)等參與氨(an)(an)基酸(suan)(suan)(suan)代(dai)(dai)謝(xie)、能(neng)量代(dai)(dai)謝(xie)和(he)(he)碳水化合物代(dai)(dai)謝(xie)的蛋(dan)白含量，要(yao)比肥(fei)(fei)胖組(zu)高(gao)。然而，在肥(fei)(fei)胖組(zu)，枯草桿菌肽系統透性酶(mei)(mei)蛋(dan)白、檸檬酸(suan)(suan)(suan)裂解酶(mei)(mei)連接酶(mei)(mei)、核(he)(he)糖核(he)(he)苷二磷酸(suan)(suan)(suan)還原酶(mei)(mei)等參與免疫系統疾病、信號轉導和(he)(he)核(he)(he)苷酸(suan)(suan)(suan)代(dai)(dai)謝(xie)的蛋(dan)白含量較高(gao)。
肥胖(pang)組(zu)和瘦組(zu)雞腸道菌群中，有顯著差異(yi)的KEGG代(dai)謝通路熱圖
總結
研究表明，宿主的遺傳學特性會影響其腸道微生物的豐度和組成。在本研究中發現，肥胖組和瘦組腸道中，有11個屬水平的微生物具有顯著性差異。其中，Pectinatus frisingensis、Lactobacillus salivarius、Micrococcus sp. SMCC ZAT352與脂肪的形成相關。除此之外，一些信號通路及代謝途徑也參與到了脂肪的貯存中，如在肥胖組出現較多的PPAR信號通路、三羧酸循環等。因此，我們有理由相信，腸道微生物在宿主的代謝功能方面，承擔了很重要的角色。宿主的遺傳性狀和其腸道微生物間存在著功能上的相互作用。
另(ling)外，本研(yan)究(jiu)的(de)(de)一(yi)大亮(liang)點是(shi)，將微(wei)(wei)生物多樣性(xing)測序和宏基因組(zu)(zu)測序相(xiang)結合，不僅(jin)對兩(liang)組(zu)(zu)樣本間(jian)的(de)(de)微(wei)(wei)生物組(zu)(zu)成(cheng)及豐(feng)度差異進行了(le)很好地比較，而且在功能代謝層次(ci)較為深入地比較了(le)兩(liang)組(zu)(zu)的(de)(de)區(qu)別，證(zheng)實了(le)宿主(zhu)的(de)(de)遺傳性(xing)狀(zhuang)和其腸道微(wei)(wei)生物之間(jian)存在較為密切的(de)(de)相(xiang)互聯系，也使得本研(yan)究(jiu)的(de)(de)結論更有(you)說服力，這一(yi)點是(shi)相(xiang)當(dang)值得借鑒的(de)(de)！
本(ben)研究的測序(xu)和數(shu)據分析工作由(you)上海派(pai)森(sen)諾生物科技股份有限(xian)公司完成。
文章(zhang)索引：
Ding J, Zhao L, Wang L, et al. Divergent selection-induced obesity alters the composition and functional pathways of chicken gut microbiota[J]. Genetics Selection Evolution, 2016, 48(1): 93.
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