斯坦福大学：不同生活方式的婴儿肠道菌群组合存在显著差异

背景

人类肠道微生物群从出生后立即开始经历一个复杂的组装过程。试图在该群落中移植的新微生物通常取决于先前定殖物种建立的生态位，因此最终的成年微生物群组成可能取决于生命早期获得的物种。生活在工业化国家的婴儿的微生物组组装过程得到了很好的研究，并且倾向于遵循一系列特征步骤，这些步骤导致工业化成人肠道微生物组组成的多样性低。生活在非工业化生活方式中的婴儿 (导致非工业化成人的成人微生物群具有特征性多样性)的微生物群组装过程在很大程度上是未知的。尤其令人感兴趣的是：来自不同生活方式的婴儿的微生物群落发生分化的时间，不同生活方式的婴儿所特有的微生物和功能，以及从母亲向婴儿垂直传递的分类群中是否存在差异，这些差异孕育了微生物群组装过程。

简介

2022年6月10日，来自美国斯坦福大学医学院的Matthew R. Olm及其团队在Science (IF: 41.845)杂志上发表名为Robust variation in infant gut microbiome assembly across a spectrum of lifestyles的研究[1]。

主要结果

从所有1900个16S rRNA测序样本中建立的UniFrac排序显示，年龄和生活方式分别与第一和第二变异轴密切相关 (图1A) (EnvFit)。比较在同一国家内采用不同生活方式的人群表明，共同的生活方式对微生物群组成的影响大于地理上的邻近性 (图1A，右图)。生活在工业化生活方式中的婴儿的微生物群在出生后的前6个月内与其他婴儿不同，而生活在过渡性生活方式与非工业化生活方式中的婴儿的微生物群在出生后约30个月时出现差异 (图1B)。DNA提取方法、喂养方式的差异或其他特定于研究的方面可能导致数据出现一些差异。工业化或非工业化生活方式边界上的人群表现出中间轨迹 (图1B，虚线)，突出了婴儿微生物群发育对生活方式相关因素的明显敏感性。

图1. 年龄和生活方式与婴儿微生物组组成有关

我们在数据集中确定了五个微生物共丰度组 (CAGs)，这五个组合起来平均占每个样本微生物群组成的93.8% (图1C)。双歧杆菌-链球菌CAG在婴儿早期 (0至6个月)的所有生活方式中占主导地位，随着时间的推移，工业化婴儿中的这种CAG会产生拟杆菌属 - 瘤胃球菌 CAG，过渡型或非工业化生活方式的婴儿中会产生普雷沃菌-粪卡菌CAG (图1C)。随着时间的推移，显性CAG中与生活方式相关的差异变得更加显著，反映了婴儿后期和成年期观察到的分类学权衡。

接下来，我们使用深层宏基因组测序数据评估生活方式之间微生物组编码的功能差异。在婴儿微生物群的总体功能能力中观察到广泛的生活方式和年龄相关差异 (图2A)，与基于16S rRNA扩增子的分析一致 (图1A)。Hadza婴儿宏基因组被组装并归入代表745种物种的宏基因组组装基因组 (MAGs)，其中175种 (23.4%)代表与人类胃肠道统一基因组 (UHGG)集合相比的新物种。从不同的系统发育组中回收了新物种；从多个Hadza样本中回收了88.6% (n = 155)，观察到其基因组质量与UHGG中的基因组质量相似。为了通过读取图谱评估患病率，将MAGs与从Hadza成年动物中回收的基因组和从人类肠道中获得的公共基因组整合到一个包含5755个物种代表性基因组的综合数据库中。总体而言，在 Hadza 婴儿中检测到的 23.4% 的微生物物种代表新物种。这些数据支持，与成人Hadza肠道相似，Hadza婴儿肠道包含广泛的明显非特征性多样性。

图2. 年龄和生活方式与婴儿的微生物群功能有关

为了评估Hadza婴儿中垂直菌株传播的程度，我们对相应的Hadza母亲(n= 23个Hadza双体)的粪便样本进行了深度测序。使用inStrain进行了详细的菌株跟踪分析，相同菌株的阈值为99.999% popANI。平均而言，二代对共享的菌株远多于非二代，且共享的菌株百分比更高 (图3A)。在Hadza的一系列门中检测到垂直菌株共享 (图3B)，在拟杆菌属和蓝细菌中较高，在厚壁菌属中较低。在工业化婴儿中，拟杆菌和厚壁菌的垂直菌株共享也分别增加和减少。这些结果表明，在婴儿饲养期间的群落相互作用可能促进群体微生物共享。

通过剖腹产出生的瑞典婴儿被排除在本分析之外，并且进行了计算机稀疏以解释研究之间测序深度的差异。正如普雷沃氏菌和类杆菌分别在非工业化和工业化婴儿中富集一样，普雷沃氏菌和类杆菌菌株分别在Hadza和瑞典dyads中更常见地垂直共享 (图3C)。在VANISH和BloSSUM分类群中观察到了类似的趋势 (图3C)。

图3. 母子二人组和非二人组之间的压力分担因生活方式而异

结论及展望

总之，我们的数据表明，所有生活方式的婴儿在开始生活时都具有相似的以双歧杆菌为主的肠道微生物群组成，但随着时间的推移，在早期生活复合物中检测到了细微的差异。最初占优势的双歧杆菌群落的物种组成和HMO降解基因的差异尤其相关，因为最近对这些相同基因的研究表明，工业化婴儿中这些基因的耗竭可能会产生长期的负面免疫后果。在生命0至6个月时区分生活方式的相同分类群是最常见的垂直传播分类群，这表明垂直传播可能有助于建立替代发展轨迹。至关重要的是，在几乎所有分析中，生活在过渡性生活方式中的婴儿的表型介于工业化婴儿和非工业化婴儿之间。虽然不是决定性的，但这是一个重要的证据，表明生活方式是婴儿微生物群组装的一个可能的致病因素。这项工作中报告的针对Hadza的发现体现了研究工业化国家以外的人的重要性，并强调有必要进行额外的研究，以公平地了解全球社会中的微生物群。我们的结果也高度强调了这样一个问题，即肠道微生物群发育-心理轨迹中的生活方式特异性差异是否会使人群易患工业化世界常见的疾病，如由慢性炎症驱动的疾病。

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj2972

参考文献

1.Olm Matthew R,Dahan Dylan,Carter Matthew M et al. Robust variation in infant gut microbiome assembly across a spectrum of lifestyles.[J] .Science, 2022, 376: 1220-1223.

转自：医学科研小坑

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