2017-03-10
派森諾生物在腸道微生物組研究領域已積累了非常豐富的經驗。繼之前多篇腸道微生物文章發表后，如今又與上海交通大學再次聯手，于2016年在《Genetics Selection Evolution》（影響因子2.895）上發表雞腸道菌群相關論文一篇。
研究背景
腸道中定植的大量微生物構成了復雜而龐大的微生物網絡。這些腸道微生物與宿主之間存在著復雜的共生、共代謝及共同演化關系。已有研究表明，宿主所表現出來的許多生理性狀及慢性病，如肥胖、高血壓、糖尿病等，都與腸道微生物有關。然而，腸道微生物與宿主間相互作用的特點和規律，尚不清楚。現如今的研究大都集中體現在腸道微生物的分類及組成差異對宿主的影響，而鮮有以腸道菌群的功能特性差異為出發點對腸道微生物與宿主間的相互作用進行研究。
研究目的
為了降低腸道微生物的復雜度，及盡可能地減小母體遺傳的影響，本實驗以雞為生物模型，以其腹部脂肪重量為篩選指標，通過15代的歧化選擇，篩選出了兩組雞樣本。其中肥胖組的腹部脂肪重量為瘦組的4.5倍。結合微生物多樣性組成譜研究和宏基因組學研究，對兩組雞的糞便樣本分別進行微生物多樣性和宏基因組測序，旨在通過對兩組樣本間的微生物多樣性差異及功能差異進行比較，探究腸道微生物與不同生理性狀的宿主間的互相作用機制。
研究方法
1、測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組16S rRNA基因V4區測序
實驗對象：肥胖組公雞29只、母雞27只；
瘦組公雞26只、母雞27只
實驗設計：分別采集肥胖組和瘦組的公雞和母雞的第35周的糞便樣本
2、測序技術：Illumina HiSeq 2000高通量測序平臺
測序模式：2*100bp
實驗對象：肥胖組母雞3只
瘦組母雞3只
實驗設計：分別采集肥胖組和瘦組的母雞的第35周的糞便樣本
研究結果
對109份雞糞便樣本進行微生物多樣性組成譜測序，數據分析結果顯示，長期的歧化選擇使得肥胖組和瘦組的部分腸道微生物種類表現出豐度差異。在兩組雞糞便樣本中，我們發現，有4個門水平的微生物在雞腸道中占據地位。其中，Firmicutes所占比重最大，其次為Proteobacteria、Fusobacteria和Actinobacteria。在門水平，兩組中的占比差異最大的為Fusobacteria（肥胖組為8%，瘦組為18%），其次為Proteobacteria（肥胖組為33%，瘦組為24%）。在屬水平，兩組中的占比差異最大的為Fusobacterium（肥胖組為9%，瘦組為20%）。分析及統計結果顯示，兩組樣本間共有8個門、52個屬、11個種的微生物差異較為顯著。
肥胖組和瘦組雞腸道菌群在門、屬、種水平的組成
肥胖組和瘦組雞腸道菌群有差異的屬
對6份母雞糞便樣本進行宏基因組測序，將非冗余蛋白序列集與KEGG代謝通路數據庫比對，得到不同代謝通路的KO注釋信息。結果發現，瘦組樣本的氨基酸代謝、能量代謝、脂代謝及細胞運動性的代謝通路占比是肥胖組的兩倍。而在肥胖組樣本中，蛋白翻譯、信號轉導、萜類化合物和聚酮類化合物代謝、蛋白折疊、次級代謝產物的合成及癌癥等相關通路較豐富。
肥胖組和瘦組雞腸道菌群KEGG代謝通路的比較
通過對宏基因組數據進行分析發現，差異較顯著的代謝通路中，在瘦組中，肌醇磷酸代謝、抗原加工和表達、膦酸酯和次膦酸酯代謝更為豐富；與之相反地，在肥胖組中，更多的則是三羧酸循環、PPAR信號通路、固磷作用、細胞粘附分子等相關代謝通路。
肥胖組和瘦組雞腸道菌群有差異的KEGG代謝通路
通過熱圖，我們可以更深入地解析肥胖組和瘦組樣本間的微生物功能分布規律。熱圖結果顯示，在瘦組，轉氨酶、精氨酸脫羧酶、細胞色素氧化酶、肌醇磷酸磷脂激酶等參與氨基酸代謝、能量代謝和碳水化合物代謝的蛋白含量，要比肥胖組高。然而，在肥胖組，枯草桿菌肽系統透性酶蛋白、檸檬酸裂解酶連接酶、核糖核苷二磷酸還原酶等參與免疫系統疾病、信號轉導和核苷酸代謝的蛋白含量較高。
肥胖組和瘦組雞腸道菌群中，有顯著差異的KEGG代謝通路熱圖
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。
另外，本研究的一大亮點是，將微生物多樣性測序和宏基因組測序相結合，不僅對兩組樣本間的微生物組成及豐度差異進行了很好地比較，而且在功能代謝層次較為深入地比較了兩組的區別，證實了宿主的遺傳性狀和其腸道微生物之間存在較為密切的相互聯系，也使得本研究的結論更有說服力，這一點是相當值得借鑒的！
本研究的測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
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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https://gsejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12711-016-0270-5
