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肠道微生物菌群成熟与儿童患哮喘风险

来源:admin    发布时间:2020-08-19   阅读数:165

Maturation of the gut microbiome and risk of asthma in childhood

肠道微生物菌群成熟与儿童患哮喘风险

作者:Jakob Stokholm , Martin J Blaser, Jonathan Thorsen et al.

期刊:Nature Communication

时间:201801

IF:11.878

DOI: 10.1038/s41467-017-02573-2


一、研究背景

人类肠道微生物菌群的组成通常在1岁前成熟。据猜测,在这段时期内微生物的群落结构会导致免疫调节异常,并且有可能引发哮喘。通过对690名儿童肠道微生物组成和患病风险进行关联分析,我们发现,如果1岁龄儿童的肠道微生物未成熟,那他们在5岁时会有更高的患哮喘风险。这种情况仅在母亲是患者的儿童中表现明显。该结果证明在1岁前缺乏微生物刺激的婴儿可能会有患上遗传性哮喘。与此相反,在这段时期内足够成熟的肠道微生物菌群能保护有患病倾向的儿童。


二、实验设计

1、样品采集、DNA提取和测序

在婴儿出生后的第1周、第1个月及第1年时取其粪便样品,提取粪便基因组DNA。使用V4区引物505F和806R对16S rRNA基因进行扩增。将PCR产物(浓度≥6 ng/μL)稀释为3-6 ng/μL,并加上测序引物和接头。使用Illuimina MiSeq系统进行测序(2 × 250 bp)。

2、数据处理及统计分析

对测序序列进行质控和组装。使用R语言对数据进行分析,即对微生物α-多样性和β-多样性、各层级微生物的种类和丰度进行计算和统计。将16S测序数据上传Sequence Read Archive数据库,登录号号为PRJNA417357。


三、实验结果

1、1岁期间儿童肠道微生物的结构变化

在出生第1年,儿童肠道微生物组成的差异非常大,这些差异包括微生物多样性、复杂性及优势菌种的变化。收集690名儿童的1696份粪便样品,并对样品进行16S测序。这些样品中共聚类到3651个OTUs,平均每个样品中有116个,其中的优势菌为拟杆菌属、双歧杆菌属和韦荣球菌属。在1周和1月龄婴儿粪便中,微生物α-多样性无显著变化,到1岁时显著增加(图 1a)。婴儿在1月和1岁龄时的微生物β-多样性及丰度在前20的物种变化最大。


2、微生物种群类型及其成熟情况由年龄决定

使用聚类分析法(Partitioning around medoids, PAM)区分粪便样品类型,以研究微生物群落组成差异。该法将样品分为2种可以表现出取样时儿童年龄大小的微生物群落类型(图 1b)。PAM簇1主要由1周和1月龄婴儿粪便样品组成(N=1019),PAM簇2则主要由1岁龄儿童的粪便样品组成(N=677)(图 1c)。PAM簇1的代表菌种分别是肠杆菌属、葡萄球菌和链球菌等,PAM簇2的是粪杆菌属、拟杆菌等。PAM簇2的 α-多样性比PAM簇1的高。β-多样性分析显示1月龄婴儿的微生物种群多样性与1岁龄儿童的PAM聚类无关。

在一系列环境因子种与PAM簇显著相关的只有家庭中是否存在大的孩子。PAM簇1孩子家庭中有的大孩子的只占24%(N=8),而PAM簇2孩子家庭中有的大孩子的占到了57%(N=334)。

1岁龄儿童肠道微生物组成成分变化
图1. 1岁龄儿童肠道微生物组成成分变化


3、微生物类群结构与随后的哮喘相关联

我们分析了微生物群落组成和后来哮喘的发展之间的关联性。很多儿童在1岁时会周期性出现类似哮喘的症状,但这种症状在学龄前会随着年纪的增加而痊愈。648名儿童中,到5岁时仍患哮喘的占9%(N=60)。所有时期的患病风险和α-多样性都不存在显著关联。1岁龄患者和健康儿童的微生物群落β-多样性有显著差异。有微生物-哮喘关联性的147名儿童的母亲均为哮喘患者,而健康母亲生育孩子则无这种关联(图 2)。父母的哮喘状态与儿童微生物的α-、β-多样性无关。

1岁龄儿童肠道微生物β-多样性与后来的哮喘相关
图2. 1岁龄儿童肠道微生物β-多样性与后来的哮喘相关


4、1岁龄儿童肠道微生物丰度与后来的哮喘相关

对1岁龄儿童粪便样品中最常见的20种微生物进行丰度检测,以验证后来发展的哮喘是否与早期特殊的细菌种类有关。结果表明,与健康儿童相比,5岁时有高风险患哮喘儿童的韦荣球菌属的丰度较高,罗斯氏菌等的丰度较低。若母亲患病,则其小孩哮喘的发展与8种细菌有显著关联(图 3),负相关的有粪杆菌属、双歧杆菌属等,正相关的仅有韦荣球菌属(图 3)。如果儿童患了哮喘,将其在1岁时丰度低的细菌当作是健康成型肠道微生物群落结构的决定成分。1周龄和1月龄婴儿粪便中丰度前20的细菌物种与哮喘的形成无关。由此可见,1岁龄和5岁龄儿童的微生物组成与哮喘的发展之间有很强的可预见性。

1岁龄儿童肠道微生物丰度与后来的哮喘相关
图3. 1岁龄儿童肠道微生物丰度与后来的哮喘相关


5、1岁龄儿童肠道微生物群落类型和成熟程度低与后来的哮喘相关

为验证微生物是否决定着哮喘形成,我们以微生物PAM簇来指示群落的成熟情况。将儿童1岁龄时微生物是PAM簇1的与已转变成PAM簇2的作比较(图 4)时发现,如果1岁龄时微生物群落类型是PAM簇1,那儿童患上永久性哮喘的风险增加了2.87倍,而PAM簇与暂时性哮喘无关联。同时还使用另外一种方法,微生物-年龄z值(microbiota-by-age z-scores, MAZ)来指示群落的成熟情况。同样,低MAZ值的儿童患上永久性哮喘的风险也有所增加。

肠道微生物群落类型是PAM簇1或者MAZ值低的1岁龄儿童患上类似哮喘疾病的次数将比PAM簇2的或MAZ值高的儿童多(患病风险比例分别为1.54和1.26)。

5岁前儿童患哮喘的风险与1岁时的PAM簇类型相关
图4. 5岁前儿童患哮喘的风险与1岁时的PAM簇类型相关


为探讨这些结果是否具有特定的哮喘表型特征,我们将儿童的过敏反应细分。不管儿童是否患有哮喘,或者有没有过敏反应,他们在1岁龄时的微生物β-多样性皆存在显著差异。致敏哮喘的表型与β-多样性的倾移有关。

1岁龄儿童肠道微生物β-多样性与哮喘和过敏反应有关
图5.1岁龄儿童肠道微生物β-多样性与哮喘和过敏反应有关


四、结论

1. 对母亲是哮喘患者的儿童来说,他们1岁龄时的肠道微生物和后来患上哮喘之间有很强关联性。

2. 家里有哥哥或姐姐的儿童能够完善自身的肠道微生物。

3. 有高风险患哮喘的婴儿出生后,建议用特殊的益生菌补充剂进行疾病预防。




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