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科研动态

NPJ Biofilms and Microbiomes:银屑病患者皮肤菌群中的隐藏多样性及菌株水平结构
发布时间:2018-04-05 11:28   点击率:
导读
银屑病是一种免疫介导的炎症性皮肤病,与微生物失调有关。本研究首次用高分辨率的宏基因组学方法描述银屑病皮肤与健康皮肤的微生物组成差异。
 
文献ID
题目:Unexplored diversity and strain-level structure of the skin microbiome associated with psoriasis
译名:银屑病患者皮肤菌群中的隐藏多样性及菌株水平结构
期刊:NPJ Biofilms and Microbiomes
年份:2017年5月        IF= N/A
通讯作者:Nicola Segata
通讯单位:意大利特伦托大学综合生物学中心
 
 
材料与方法
实验设计
样本:28名银屑病患者耳朵或肘部皮肤,具体取样信息如表1所示
表一:取样部位
 
 
测序区域及平台
宏基因组,Illumina HiSeq-2000 platform
 
 
研究成果
1、银屑病患者皮肤菌群组成

图1. 皮肤菌群分类及功能多样性 
A. 基于MetaPhlAn 2分析方法的皮肤菌群分类(top20);
B. 基于HUMAnN分析方法的皮肤菌群的功能(top30)
 
门水平上银屑病皮肤菌群主要包括Actinobacteria(放线菌门)与 Firmicutes(厚壁菌门),种水平上细菌主要包Staphylococcus epidermidis、 Propionibacterium acnes、Staphylococcus caprae/capitis 及Micrococcus luteus(图1A),真菌主要为Malassezia。银屑病皮肤菌群的主要代谢功能包括糖代谢,DNA复制及转化(如图B)。
 
 
2、银屑病病灶的微生物多样性

图2. 皮肤微生物的α多样性及β多样性
A. 耳朵及肘部健康及患病部位α多样性(上:物种数目;下:Gini–Simpson指数);B. 同一个病人及不同病人基于Bray–Curtis距离的β多样性
 
种水平,耳朵处患病皮肤微生物α多样性下降,但肘部无显著变化(图2A);同样,与健康皮肤相比,耳朵处感染银屑病的皮肤微生物β多样性下降,但肘部无显著性差异(图2B)。
 
 
3、银屑病病灶的微生物分类及功能的变化

图3. 耳朵处健康皮肤与患病皮肤分类特征
A. 分类特征top5物种;
B. 患病与健康皮肤top5物种相对丰度比较
 
虽然健康部位与患病部位Staphylococcus存在显著性差异(图1A),但总体来说,银屑病皮肤与健康皮肤在种水平上无显著性差异。
 
基于随机森林对肘部与耳朵处的患病及健康皮肤进行预测,肘部无法达到预测效果,但耳朵处AUC面积达0.619,识别患病与健康皮肤的最强分类特征为S. caprae/capitis、 P. acnes, S. epidermidis、S. aureus及 M.luteus (Fig. 3A),其两处相对丰度比较如图3B所示。
 
 
4、患病皮肤与健康皮肤微生物株水平变异

图4. S. epidermidis 及 P. acnes菌株水平差异
 
用StrainPhlAn方法构建常见皮肤菌群S.epidermidis 及P. acnes种内体统发育树(图4),结果显示未感染银屑病的P4及P9样本,其左耳与右耳处S. epidermidis菌株相同,而且P9两个取样处的P. acnes也为同一株,但P4两处的P. acnes在系统发育关系上较远;而对于P16一边皮肤患病另一边健康的病人,两处S. epidermidis菌株存在显著性差异。除了样本P9,MLST分析显示同样的结果。同一个体患病部位与健康部位定植的菌株存在差异,表明银屑病可对物种的定植进行选择。总之,菌株水平分析揭示了皮肤微生物组真正多样性。
 
 
5、银屑病皮肤与健康皮肤S.epidermidis菌株功能差异
不同的菌株极有可能具有不同的功能,用PanPhlAn方法进一步研究银屑病皮肤与健康皮肤S. epidermidis 菌株的潜在功能。总共鉴定到128个单拷贝基因在两者间存在差异,其中50个在银屑病皮肤中出现频率更高,78个在健康皮肤中更多出现。而且在银屑病皮肤中发现S. epidermidis 菌株包含毒力相关基因,如Staphylococcus分泌抗原基因ssaA。 已知,ssaA是一种细胞外蛋白,涉及发病机制,还发现毒力基因esxA,esxA 是S.aureus的毒力因子。另外,该研究还发现大量假定转录调节基因及功能未知基因。
 
 
6.银屑病皮肤生态中包含大量未知微生物

图5. 无分类特征的物种系统发育特征
 
对每个皮肤宏基因组样本基于组装基因组构建方法分析,contig聚类与参考基因组比较无同源性或同源性极低,表明银屑病皮肤生态中包含未知微生物,Malassezia重建基因组系统发育比较发现,大多数的未知真菌微生物与人体最常见的皮肤真菌Malassezia spp.中的M.globosa 及 M. restricta最相似(图5A)。在未知细菌中,检测到病人9极有可能为未知的Anaerococcus spp.(图5B);病人9两处耳朵皮肤存在同样的未知微生物,但既不属于Chromobacteriaceae 也不属于Neisseriaceae。不论是健康还是患病,其微生物的复杂性及多样性远高于目前已有参考基因组。因此,这种隐藏的多样性,及在健康皮肤和疾病皮肤中潜在的未知分类的作用极容易被忽视。
 
 
研究结论
银屑病与皮肤菌群失调相关;虽总体来说在种水平上患病皮肤与健康皮肤无显著差异,但菌株水平上的研究表明,两者之间存在菌株异质性定殖及功能性差异。
 
 
亮点
本研究从更精细的菌株水平,表明了皮肤菌群中的隐藏多样性及菌株水平的变异是银屑病皮肤菌群的关键决定因素,提示了菌株水平的分析是必需的。

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