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科研动态

Microbiome:双歧杆菌及对应噬菌体在母婴中的垂直传播
发布时间:2017-07-21 16:54   点击率:
导读
肠道菌群的建立形成于生命之初,但对于婴儿肠道菌群的来源各说纷纭。双歧杆菌是新生儿肠道中最初的微生物,并且对调节粘膜与先天免疫具有重要作用。本研究选取25对母婴,通过ITS、De Nove和宏基因组测序以及菌株分离培养的方法,测定双歧杆菌群落组成,证明了双歧杆菌的垂直传播及其原因,并且鉴定出双歧杆菌菌种特异性噬菌体,首次证实双歧杆菌噬菌体bifidophages的垂直传播路径。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。

文献ID
题目:Maternal inheritance of bifidobacterial communities and bifidophages in infants through vertical transmission
译名:通过垂直传播,婴儿继承母系遗传的双歧杆菌群落和双歧杆菌噬菌体
期刊:Microbiome
发表日期:2017年6月           IF:8.496
通讯作者:Marco Ventura
单位:帕尔马大学生物基因组学的实验室

材料与方法
研究对象:25对母婴(母亲年龄18-40岁,未服用过任何益生菌和抗生素,身体健康)

样品:母亲粪便(分娩时或分娩后短时间内);婴儿粪便(取自两个时间点:出生后第7天,出生后一个月);母乳(取自两个时间点:婴儿出生后第7天,出生后一个月)。采集的样本立即保存于−20°C并冷冻运送至实验室,提取粪便及母乳中的DNA。

测序手段:ITS测序,全部样本;De Nove测序,14个样品(从母婴粪便及母乳中分离到的14株双歧杆菌);宏基因组测序,3个样本(婴儿粪便样本,前期实验已证实其肠道中多种双歧杆菌来源于母亲)。

测序平台:Illumina MiSeq测序平台。

其他分析:菌株分离筛选、菌株发酵性能研究,qPCR定量分析等。

研究成果
1、婴儿肠道双歧杆菌组成
婴儿肠道双歧杆菌主要包括Bifidobacterium longum subsp. Longum、Bifidobacterium breve、Bifidobacterium bifidum、Bifidobacteriumlongum subsp. Infantis、Bifidobacterium adolescentis、Bifidobacterium pseudocatenulatum。这些菌株与已知菌株相似性低于93%,婴儿肠道中不仅包括典型的婴儿双歧杆菌如B. breve、B. bifidumB. pseudocatenulatum,也有与成人相关的双歧杆菌如B. adolescentis、B. catenulatum,这一发现说明了基于年龄的生态划分是无效的或者不是绝对的,成人与婴儿可能共享微生物。


图1. 婴儿粪便样本中双歧杆菌热图分析
热图底部条形图显示了用qPCR方法检测到的每个样本中双歧杆菌与总细菌的比例。

2、母婴共有OTUs
为了探索双歧杆菌是否通过母乳传递给婴儿,比较分析了母婴粪便及母乳的ITS测序数据,多种普遍的双歧杆菌如B. breve、B. longum spp.、B. bifidum、B. adolescentis、B. dentiumB. pseudocatenulatum同时在母婴粪便与母乳中检出。


图2. 每一组样本的双歧杆菌菌群的热图分析
热图代表了每个样本中双歧杆菌的相对丰度,左边为所有已知和假定双歧杆菌新种。

值得注意的是,基于ITS的的OTUs在不同的样本中是一致的,因此用分离培养的方法证实这些完全相同的双歧杆菌菌株是母婴垂直传播的,以25对母婴的粪便及母乳为样本分离培养菌株。并用PCR扩增16s RNA基因鉴定出14株双歧杆菌菌株,对该14株双歧杆菌菌株de nove测序,根据序列中特殊基因设计引物,以母亲样本为模板进行PCR扩增,结果发现婴儿粪便中分离的菌株对应母亲的粪便样本。证实婴儿双歧杆菌通过母性垂直来传播。

3、婴儿肠道中早期的双歧杆菌的遗传适应性
母乳不仅向婴儿肠道传递微生物,而且向这些微生物提供营养物质。人乳中含有非常多的聚糖,包括乳糖和HMOs,是婴儿肠道中分解糖类的微生物尤其是双歧杆菌的重要的碳源及能源,然而并不是所有的双歧杆菌都有利用这些糖的基因。为了鉴别这些菌株是否利用母乳低聚糖(HMO)或HMO来源的葡聚糖,比较分析了各菌株编码各种酶类的情况,并通过在培养基中添加不同种类的糖来培养这些菌株以检测它们的发酵性能,发酵实验与基因预测结果表明母乳中分离的双歧杆菌菌株可利用HMO或HMO来源的葡聚糖,这一特性支持母乳介导的双歧杆菌传播。

图3. 垂直传播双杆菌菌株降解HMO的能力
a:编码降解和运输HMO的酶基因的缺失/存在。红色代表基因存在,黑色代表基因不存在。b:菌株在HMO来源的葡聚糖中的生长情况。黑色:OD600 nm< 0.3,黄色:0.3< OD600 nm< 0.5,浅绿色:0.5< OD600 nm< 0.8,绿色:OD600 nm > 0.8。

5、通过生物信息学分析重构共享双歧杆菌的基因组
为了验证婴儿粪便样本中的双歧杆菌与相应的母亲的粪便及母乳中菌群相一致,宏基因组分析双歧杆菌大量垂直传播的三个婴儿样本(TVPR-01,TVPR-02,TVPR-03),宏基因组测序结果表示TVPR-01、TVPR-02和TVPR-03三个样本中各2.09%、9.02%、12.16%的reads属于双歧杆菌,TVPR-01中1.56%的reads属于B. breve,TVPR-02中6.16%的reads属于B. dentium,TVPR-03中8.21%的reads属于B. dentium

6、母亲向婴儿传递双歧杆菌噬菌体
通过宏基因组学数据,鉴定出双歧杆菌菌种特异性噬菌体,首次证实双歧杆菌噬菌体bifidophages的垂直传播路径。


图4. 母亲向婴儿传递双歧杆菌噬菌体
图的上部分显示的是噬菌体B.longum10029和10035基因组图谱。图的下部分显示的是通过PCR方法证实的噬菌体存在于母亲和婴儿宏基因组样本中。

研究结论
双歧杆菌通过母亲的垂直传播途径,成为婴儿肠道菌群的主要微生物。母乳中分离的双歧杆菌菌株可利用母乳低聚糖(HMO)或HMO来源的葡聚糖,这一特性支持母乳介导的双歧杆菌传播。并鉴定出双歧杆菌菌种特异性噬菌体,首次证实双歧杆菌噬菌体bifidophages的垂直传播路径。

亮点
1. 本文采用ITS测序、de nove测序、宏基因组测序及菌株分离培养的方法来研究母婴双歧杆菌的垂直传播,不仅鉴定了早期婴儿肠道中双歧杆菌的群落结构,而且探究了母乳作为垂直传播的原因。
2. 鉴定出双歧杆菌菌种特异性噬菌体,首次证实双歧杆菌噬菌体bifidophages的垂直传播路径。
3. 本文为婴儿肠道双歧杆菌的获得及群落结果提供了重要的见解。