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科研动态

Journal of Bacteriology:母亲乳汁和肠道中的微生物会传递给婴儿吗?
发布时间:2017-05-10 10:41   点击率:

导读

肠道微生物形成于生命的第一天,并在第一个月持续增加其多样性。婴儿的肠道微生物结构与生命健康之间存在联系,但是目前还没有对母婴垂直传递微生物进行菌株水平的全面评估。本研究收集多对母婴在第一年的粪便和母乳样本,利用鸟枪法宏基因组测序进行菌株水平分析。发现几株特殊菌(Bifidobacterium bifidumCoprococcus comesRuminococcus bromii)存在于同一对母婴的样本中,而这些菌株在不同母婴对中是有显著差别的,证明了垂直传递。进一步应用宏转录组学研究垂直传递微生物的体内基因表达,发现传递菌株BacteroidesBifidobacterium在成年人和婴儿肠道中均具有转录活性。本文为大规模研究微生物垂直传递的途径及其对婴儿后期微生物发育的影响奠定了基础。


材料与方法
样本收集


核酸提取
粪便样品DNA提取试剂盒:QIAamp DNA stool minikit
母乳样品DNA提取试剂盒:PowerFood microbial DNA isolation kit
RNA样本提取试剂盒:AllPrep DNA/RNA minikit

测序手段
鸟枪法宏基因组测序24个样本(8个母亲粪便样本、8个婴儿粪便样本和8个母乳样本),共1.2G reads。两对粪便样本(第4对时间2和第5对时间点3)宏转录组学研究母婴肠道细菌菌株的差异表达。
测序平台:HiSeq 2500。数据量: 6G/文库。

研究成果
1、母婴共有物种
婴儿肠道微生物中Escherichia coliBifidobacterium spp.为优势物种,如B. LongumB. BreveB. Bifidum(图1A),这些物种在某些时间点的相对丰度高于75%。断奶后的婴儿(第五对时间点3,婴儿16个月)微生物向着类似母亲组成转变(图1B),多样性增加,Parabacteroides merdaeCoprococcus spp.和Faecalibacterium prausnitzii出现。然而16个月大的婴儿仍然保留着一些婴儿微生物标记,如高丰度的双歧杆菌在母亲样本中处于低水平(图1A和C)。

 
图1. 母婴样本微生物组成和共有细菌

母乳样本的微生物多样性在第一取样时间(时间点1,婴儿3个月)受限,其包含皮肤相关细菌如Corynebacterium kroppenstedtiiStaphylococcus epidermidis。但是,皮肤相关细菌在婴儿肠道微生物中丰度低,证明皮肤微生物未移植到人类肠道(图1A)。按类型聚类不同的样本,断奶代表了从婴儿向成年微生物结构转变的关键因素(图1B)。

比较母婴中均出现的物种(图1C),发现许多共有物种(Escherichia, BifidobacteriumVeillonella spp.)在婴儿中的丰度高于母亲中,可能由于物种多样性低和肠道内竞争。

2、母婴共有的垂直传递菌株
SNV分析表明,母亲肠道中存在的物种相对于可用参考基因组具有相当大的菌株水平异质性(图2)。第4对在时间点2时,婴儿具有与其母亲序列同源性高达99.96%的双歧杆菌,但明显不同于其他婴儿(图2A),至少有0.6%的差异核苷酸。图2B和2C显示第5对的共有物种是C. ComesR. Bromii

 
图2. 母婴均有的微生物菌株水平系统发育树

基于PanPhlAn和StrainPhlAn的分析表明,11%的常见物种为相同菌株(图2)。值得注意的是,时间点3的一个婴儿的R. Bromii不同于其时间点2的,并且两株菌株与其母亲两个时间点的菌株均不同(图2C)。

测试样本中最普遍的噬菌体是EnterobacterShigella,与肠杆菌科菌(尤其是埃希氏杆菌属菌)的高发性一致(图1A)。Bacteroides属是crAssphage的寄主,crAssphage阳性母亲的微生物群富含B. Vulgatus(图1A)。第4对母婴中高丰度PMMoV使我们可以重建其全基因组(99.9%),并进行系统发育树分析表明,母婴共有完全相同的PMMoV菌株,其明显不同于PMMoV的参考基因组(图2D)。鸟枪法宏基因组分析病毒特征表明,病毒可以追踪母婴微生物,实验性病毒富集法可能为病毒传递提供更清晰的途径。

3、母婴潜在功能和表达整体水平的差异
母婴肠道微生物功能具有大量重叠(图3A),母婴存在87%的通路,其中50%的通路丰度存在明显差异。第5对婴儿断奶后的样本与成年人肠道样本聚类在一起(图3B),意味着婴儿微生物类别向成人转变(图1B)与菌群机能的改变有关。母乳中产生的分支酸可能是必需氨基酸和维生素生物合成的重要中间产物(图3C)。

 
图3. 功能潜力分析

两对母婴宏转录组的分析反映了肠道从有氧到无氧状态的转变,在生命的前几个月从兼性厌氧向着专性厌氧转变。第4对和第5对显示不同成员的转录模式差异很大(图4A)。
 
图4. 第4对时间点2母婴代谢通路和基因的转录组水平

4、母婴特殊菌株的转录差异
母婴共有菌株的转录活性可能通过母婴垂直传递获得的。第4对中3个传递物种(B. VulgatusE. ColiB. bifidum)在母婴肠道中均活跃(图4B)。B. bifidum在婴儿中更活跃(图4B),高转录活性的R. Bromii可能作为转变的一个标志。结合宏基因组和宏转录组测序分析,探索群落中菌的传递和活性,更加详细地阐述了微生物群落的动态。

研究结论
本文开发了确定微生物母婴垂直传递的方法,并表明母亲是婴儿微生物的来源,在婴儿肠道微生物发育中非常重要。不同母婴对之间的几个物种存在大量遗传差异,但是同对母婴遗传相同,即垂直传递。母婴共有菌株的转录模式不同,表明母亲传递的微生物成功适应婴儿肠道。

亮点
1、本文采用宏基因组、宏转录组和菌株水平研究母婴微生物的垂直传递,不仅鉴定跟踪了早期婴儿肠道微生物群落,而且还研究了群落中积极转录的微生物。

2、此方法为婴儿微生物的获得、发育及群落动态提供了重要的见解。