上海锐翌生物科技有限公司

服务电话:021-51001612

邮箱:support@realbio.cn

科研动态

Cell Host & Microbe :菌株分析揭示粪菌移植后肠道微生物定植的决定因素
发布时间:2018-03-31 11:13   点击率:
导读
粪菌移植作为治疗菌群相关疾病的一种重要方法,其作用机制非常重要。粪菌移植治疗是否成功取决于供体微生物在患者中的定植情况,但是驱动微生物定植的原因尚不清楚。本研究选择了4名健康供体对19名艰难梭菌感染的患者进行粪菌移植治疗,移植后进行长达4个月的随访,共收集74例粪便样本,进行宏基因组测序。
 
Eric J. Alm团队基于供体组和移植前患者mg-OTU丰度、系统进化、基因组特征以及临床数据使用随机森林的方法构建模型,可准确预测移植后患者mg-OTU的组成。该团队开发了Strain Finder软件,用来研究粪菌移植后菌株的动态定植情况,结果发现供体某种水平的多个菌株以“全或无”的方式定殖。此外,该团队还基于已有多个微生物数据对粪菌移植试验中菌群定植的模型进行了验证。

 
cell文章最大的特点:一张图包括实验设计,高度概括分析内容,诠释文章的中心思想
 
 
文献ID
题目:Strain Tracking Reveals the Determinants of Bacterial Engraftment in the Human Gut Following Fecal Microbiota Transplantation 
译名:菌株分析揭示粪菌移植后肠道微生物定植的决定因素
期刊:Cell Host & Microbe         IF=14.946
发表时间:2018年2月14日
 
 
材料与方法
实验设计
收集4个健康供体的7例粪便样本和19个艰难梭菌感染患者粪菌移植前后69例粪便样本,共计74个样本进行宏基因组测序分析,样本收集如图1所示。
 

图1. 粪菌移植前后CDI患者样本收集设计
 
测序区域及平台
宏基因组测序,Illumina GAIIx 
 
 
研究成果
1、粪菌移植宏基因组结果
宏基因组数据结果与HMP数据库中的649个非冗余参考基因组比对,进行物种注释,基于AMPHORA 数据库中的31个单拷贝系统发育标记物,计算每个物种的测序深度,进而估计物种的丰度,将这些物种称为mg-OTU,共鉴定到306个mg-OTU(图2B和图2G)。粪菌移植后与移植前相比,患者微生物的多样性显著提高(图2B),移植前的微生物聚成两类,主要以肠杆菌目和乳杆菌目为主(图2G)。供体和移植后的样本主要以拟杆菌目和梭菌目为主(图2G)。PCoA分析所有样本,结果发现移植前的物种组成与供体组成显著不同,而经过粪菌移植的患者,其微生物组成发生了变化,趋近供体微生物的组成(图2E)。
 
图2. 粪菌移植前后的宏基因组物种注释
 
 
2、预测菌群定植的模型
 粪菌移植后,患者肠道菌群与供体及移植前显著不同。移植后,第一次随访发现患者体内出现35%供体mg-OTU和42%的移植前的mg-OTU,39%的mg-OTU是在移植后新出现的。这些细菌可能是由于环境,或者是供体及患者中低于检测线的低丰度菌群复活引起的。
 
为了检测样本之间的关系,我们基于mg-OTU的丰度进行聚类,结果发现,移植后的样本与对应供体、移植前的样本没有发生正确的聚类(图3A和图3B)。粪菌移植后患者肠道菌群组成并不是简单的合并供体和移植前菌群的组成,而是将供体、患者和环境中的微生物“重组”为一个新的复杂混合菌群。
 
粪菌移植后的结果不能简单的根据供体和患者的肠道菌群进行推断,可能与临床结果和菌群组成有关。为了验证这个假设,基于供体和移植前患者的临床数据、物种丰度、系统发育和mg-OTU的基因组特征,使用随机森林进行模型构建,对粪菌移植后菌群组成进行预测,结果发现该模型预测结果的精确度和特异度均高(图3C和图3D),移植后的样本与预测的结果聚类较好(图E)。该模型不包括决定肠道微生物组成的主要因素,如饮食、菌群的影响、宿主基因和免疫系统,但是预测结果是准确的,表明影响肠道菌群组成的主要因素不是预测肠道菌群组成所需要的。
 

图3. 菌群定植的模型构建
 
 
3、Strain Finder 软件分析菌株水平的动态变化
基于不同样本而频率相同的SNP是同一个菌株,开发一款软件Strain Finder以推断宏基因组样本中菌株的基因型和频率。使用16个大肠杆菌模拟8个样本的16个宏基因组分布,菌株个数分布为4、8、12和16,,测序深度为25x、100x、500x和1000x,结果发现Strain Finder与Constrain结果均优于Null model 1,Strain Finder的结果优于Null model 2,说明Strain Finder对于菌株的鉴定优于Constrain(图4)。使用Strain Finder研究FMT对菌群定植的影响,共鉴定到1091个菌株,平均每个样品包括丰度1%以上的菌株130个。
 

图4. Strain Finder与Constrain模拟大肠杆菌菌株基因组排布
 
 
4、菌株水平的持续性和定植
基于菌株水平研究粪菌移植后菌株的动态变化模式:当一个mg-OTU在患者体内存在,供体不存在,粪菌移植后菌株在患者中稳定存在;当一个mg-OTU在患者体内不存在,供体中存在,粪菌移植后患者拥有供体的菌株(图5A)。供体和患者的菌株竞争导致一系列的结果:患者菌株可能抵制供体菌株,供体菌株也可能战胜患者菌株,患者菌株和供体菌株可能共存,或者是患者获得新的菌株。
 
粪菌移植过程中供体菌株可直接移植给患者,439个供体特有的菌株在患者中出现。检测菌株的特异性发现,就菌株组成而言,与其它供体比较,移植后患者的菌组成与其对应供体组成更相似;与患者相比较,移植后的菌株组成与自身移植前组成更相似(图5B)。供体和患者共享菌株可以更好地用菌群的直接转移而不是偶然的相似来解释。
 
粪菌移植过程中有一小部分菌群在患者肠道定植,但是菌株定植是以全或无的方式;15%的菌株定植是不常见的,揭示相关菌株间的紧密耦合:不是一个菌株转移,而是一个种水平的菌株同时转移,表明种水平决定菌株转移的单位(图5C)。
 

图5. 粪菌移植后供体菌株和未发现菌株的定植
 
5、菌株水平揭示粪菌移植的定植率
移植前,供体和患者有稳定特异的菌株组成,使用这些特性推断移植后肠道微生物的来源(图5D)。供体中菌株的贡献在患者中各有不同,由多或少的菌株组成。在供体或患者中未发现的菌株可能是由于其低于检测限或者源于环境,在移植后患者体内出现,推测是??粪菌移植可能刺激了低丰度菌株的增长或环境中新菌株的定植,后续工作需要确定FMT过程中这些供体或患者中未发现菌株的增长机制
 
 
亮点
1、建立了粪菌移植后菌群定植的模型,该模型在其它已采用粪菌移植治疗的疾病中得到了很好的验证,说明该模型的重要意义。
2、开发了用于大规模检测菌株水平动态变化的软件Strain Finder,基于该软件发现了菌群定植的方式,该工作有利于更好地理解粪菌移植过程中与疾病治疗相关的微生物作用机制。



锐翌原创文章,未经授权严禁转载。