科研 | Nature子刊：影响婴儿微生物群落结构和功能的成熟的原因
本文由廖维瑶编译，董小橙、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转发转载。
人类微生物群落的多样性因不同的身体部位而不同，并影响着人类生理。然而，人体内微生物群落何时以及如何在生命早期中获得独特的分类和功能特征仍未得到充分的探索。
论文ID
原名：Maturation of the Infant Microbiome Community Structure and Function Across Multiple Body Sites and in Relation to Mode of Delivery
译名：婴儿微生物群落结构和功能的成熟跨越多个身体部位，并与分娩方式有关
期刊：Nature Medicine
IF：32.621
发表时间：2017年
通信作者：Kjersti Aagaard
通信作者单位：贝勒医学院
实验设计
实验设计图
实验内容
1 生命早期微生物群落结构
我们首先利用母体微生物群作为成人微生物群的参照，研究新生儿在分娩时和6周时在不同身体部位的微生物群变化。母体微生物群的结构主要受不同身体部位的影响(Adonis, p<0.001, R2=0.192，图S2)，与母体微生物群不同，新生儿分娩时的微生物群落结构没有表现出较强的身体部位差异(图1A)。只有新生儿胎粪与皮肤、内鼻孔及口腔(Adonis p<0.001，R2=0.038)，提示体位差异。受试者的样本间配对Bray Curtis相异比较(贝塔多样性)进一步证实了这些结果。在母体受试者中，来自同一身体部位的样本之间的beta多样性显著低于不同体位之间的beta多样性(图1B，灰色实线与灰色虚线)。与此相反，在新生儿受试者中，来自同一身体部位的样本与来自不同身体部位的样本之间的Bray-Curtis距离相同(图1B，红色实线与红色虚线)。
虽然在刚分娩时新生儿微生物存在许多不同的类群，但很少有特定的身体部位的特征。为了衡量一个类群对给定部位的特异性，我们确定了它的指标值(IndVal)指数，该指数考虑了一个类群在给定部位的相对丰度及其在所有位点存在的相对频率。Indval最大值表示仅在单个部位中发现的类群，并且在所有个体中被发现。因此，具有较大Indval值的类群可以被认为是给定身体部位的特征类群。此外，为了进一步证实代表性类群(图S3)，还进行了线性判别分析效应大小(LEfSe)分析。例如，在母体受试者中，乳酸菌丰度又高又对阴道有高度特异性(avg.丰度64.7%，IndVal = 0.922;图1 c;表S4)，而Bacteroides普遍存在，且对母体粪便具有高度特异性(avg. abundance 27.8%，IndVal = 0.943;图1 c;表S4)，与我们和其他人之前的观察结果一致。相比之下，在新生儿分娩时的微生物群中发现的特征类群较少。与之前的研究结果一致，成年人阴道和皮肤微生物群的优势成员，即乳酸菌、丙酸杆菌、链球菌和葡萄球菌，也是新生儿全身各部位最丰富的属(图1C);表S4)。然而，这些类群中没有一个是有部位特异性的(所有IndVal < 0.5)。有趣的是，许多新生儿胎粪样本含有埃希氏菌和克雷伯氏菌(avg.丰盛度分别为14.3%和6.4%)，这在其他任何身体部位都没有发现(均< 0.03%)。值得注意的是，这些类群是已知的兼性厌氧菌，它们是早期胃肠道的典型特征，以前在胎盘和羊水中都被检测到。
图1 新生儿(出生时)微生物群落结构
然而，在6周大时，婴儿微生物群的群落结构似乎主要受不同身体部位的影响，与母体微生物群相似。粪便、口腔和皮肤微生物群与连接口腔和皮肤部位明显存在差异(Adonis p<0.001, R2=0.189;图2 a)。同样，贝塔多样性分析(图2B)和特征类群(图2C)与母体群落相似(图2B,C)。例如，婴儿口腔牙龈以链球菌为特征(60.7%，IndVal = 0.73)，婴儿皮肤和鼻腔以葡萄球菌和棒状杆菌为特征(表S5)。婴儿粪便和母亲粪便之间可以发现更明显的差异。正如之前发表的文章所述，母体粪便主要由拟杆菌或普氏菌组成，尽管只有拟杆菌被认为是母体肠道的标志性类群(IndVal拟杆菌= 0.92)。相比之下，大肠埃希菌和克雷伯氏菌均显著丰富(平均约10%)，且对婴儿肠道具有高度特异性(分别为IndVal=0.95，IndVal=0.75)，这与之前对这一年龄段婴儿粪便中典型微生物成分的观察相一致(图2C;表S5)。虽然婴儿和母亲的菌群作为一个整体，具有相似的群落结构和属水平(图2)，但在大多数婴儿的身体部位上的微生物群落在OTU水平上仍然是不同的。婴儿鼻腔、口腔、肠道与母体皮肤有明显差异，而婴儿皮肤与母体皮肤无明显差异(图S4)。此外，对样本内类群多样性的测量显示，在6周时，除皮肤外，婴儿往往比母亲拥有更简单的群落(图S5)。因此，虽然身体部位的差异似乎会在婴儿出生后的6周内推动其体内微生物群的重组，但这些特定地点的群落在生态上的丰度通常较低，并从母亲身上继承了独特的群落。
图2 6周时的婴儿微生物群显示出体位特异性
2 分娩方式对微生物群落结构的影响
虽然微生物组成的模式受到出生时分娩方式的影响，但这些差异在6周龄时是不存在的。通过PCoA，我们观察到新生儿微生物群中仅在口腔、鼻腔和皮肤(Adonis R2=0.038)与分娩方式存在临界统计学差异，而胎粪无差异(Mann-Whitney p>0.05;图3 a)。在剖宫产的新生儿中，在口腔和皮肤微生物中(p<0.001)，Alpha多样性也同样降低，而在鼻腔或胎粪无差异 (p>0.05; 图. S6)。这些微小差异似乎是由丙酸杆菌和链球菌与剖宫产新生儿的相关增加引起的，而乳酸菌与阴道分娩新生儿的相关增加(图S7)。根据这一观察结果，母亲-新生儿二代之间两两的beta多样性比较显示，引导分娩新生儿更接近于母亲的阴道(图S8)，在分娩时微生物主要由乳酸菌组成(图1C)。然而，在6周时，婴儿的微生物群并没有在任何身体部位按分娩方式存在差异(图3B)，阿尔法多样性也没有显著差异(图S6)。属水平的分层聚类进一步证明了主要说身体部位影响，而没有很大程度的受分娩方式影响(图S9)。
图3 未能证明分娩方式对婴儿微生物群跨身体部位和时间的影响
以往的研究表明，分娩方式对早期婴儿肠道菌群拟杆菌属(Bacteroides)、乳酸菌(Lactobacillus)和双歧杆菌(bifidobacteria)的存在和丰度影响最大。我们接下来研究了这三个属在6周大时如何受到分娩方式和其他临床变量的影响。这3个属的丰度被分为不可见(0%)、疏生存在(>0.1%)、明显存在(>1%)或适度丰富(>10%)。通过对分娩时肠道菌群的比较发现，在所有的剖宫产和大部分的阴道分娩婴儿中，在分娩时都存在乳酸菌、双歧杆菌和拟杆菌(图4A-D)，在6周大时，乳酸菌和双歧杆菌还能在粪便中被检测到，且不同分娩方式间是相似的(图4A)。通过鸟枪测序，仅在3个婴儿粪便样本中检测不到拟杆菌，这些样本都不是通过剖腹产，而是通过阴道分娩出生的(图S12)。为了进一步探究在控制其他因素的同时，分娩方式是否对这三个属的相对丰度有显著影响，我们采用了一个广义线性模型。根据以往的文献报道，母乳喂养、孕龄、母婴肥胖/巨体、母婴饮食(脂肪摄入量%)和母婴糖尿病均影响早期婴儿微生物群;因此，这些因素在模型创建中被使用。在以上推测的因素中，母乳喂养是4-6周时婴儿粪便中产生大量拟杆菌素的唯一重要因素，暴露在配方奶中与拟杆菌丰度增加相关(图S13，表S6)。我们最近发表的文章指出，妊娠期间母亲脂肪摄入量的增加与拟杆菌丰度的减少有显著关系，但这只是在排除了潜在的异常值之后。双歧杆菌或乳酸菌丰度无显著相关因素(图S13，表S6)。
图4 根据分娩方式和时间对婴儿和母亲粪便和口腔微生物的分类概况
3 微生物群落功能的扩展和多样化
我们接下来研究了从分娩到6周新生儿宏基因组的微生物代谢和功能通路是如何在不同的身体部位发生变化的。总体而言，宏基因组组剖面分析了不同的年龄和身体部位(图5A和5B)，表明了位置特异性微生物活动的总体相似性。然而，尽管母体的肠道宏基因组比分类丰度更一致、更均匀(图5A，见表S5)，但在新生儿分娩时的口腔和肠道宏基因组中存在显著的异质性(图S14)。这在新生儿口腔尤为明显。例如，半数测序样本(0%相对丰度)未检测到新生儿口腔样本中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢的相对丰度，但另一半超过2.3%(所有样本中位数丰度2.4%，表S7)。然而，在6周时，婴儿的口腔和粪便宏基因组在不同个体的身体部位明显更相似(图S14)，这表明它们趋于一组共享的微生物代谢途径和每个身体部位特有的活动。通过对婴儿粪便和口腔宏基因组的比较，我们发现每一个宏基因组都富含了可能反映特定微生物群对其当地环境选择性优势的通路(图5D)。例如，脂多糖生物合成是革兰氏阴性肠道细菌的一个重要特征，与口腔相比，婴儿粪便宏基因组中脂多糖的含量相应增加。此外，对胆汁酸代谢和结合起关键作用的牛磺酸和亚牛磺酸代谢在婴儿粪便宏基因组中也较婴儿口腔中有所增加。相反，氨基酸的生物合成和代谢被认为是婴儿口腔宏基因组的主要特征。
从分娩到6周，在婴儿肠道宏基因组中发现的独特物种和微生物基因的数量也显著增加，表明在这一早期阶段总体上是扩张和多样化的(图5C)。新生儿胎粪丰富的微生物途径包括戊糖磷酸盐途径和PTS-参与了氨基酸和细胞壁组分合成代谢的葡萄糖的螯合和利用。相比之下，6周时的婴儿肠宏基因组显著富集于与辅助因子代谢和生物合成相关的途径，包括叶酸、生物素和维生素B6，我们已知这些辅助因子对生长、代谢和神经发育很重要。然而，在基因数量和独特物种上，婴儿肠道宏基因组的数量仍然远远超过母亲(图5C)。此外，有几种通路区分了婴儿和母体的肠道异基因体(图5D)，包括母体肠道中TCA循环的富集和氨基酸代谢。因此，尽管婴儿的肠道宏基因组从出生开始就有了显著的扩展和多样化，但其分类学组成和代谢能力仍与母体肠道不同。
图5 6周龄婴儿微生物群落结构和功能的扩展和多样化
为了评估婴儿粪便元基因组的代谢和功能通路随剖宫产或阴道分娩方式、母乳喂养方式和其他临床元数据的变化，我们将一个广义线性混合模型拟合到婴儿粪便样本中，以确定明显不同的通路。这种方法允许我们量化每个变量对通路丰度的贡献，同时控制临床元数据之间可能的混淆。再一次基于之前的文献，我们考虑了分娩方式，产时抗生素的使用,6周龄的母乳喂养，妊娠体重增加，孕妇妊娠糖尿病或妊娠前BMI，妊娠年龄作为模型中可能的固定效应。在所有考虑的通路中，没有一个通路与我们模型中考虑的任何临床变量相关，这表明婴儿粪便菌群中大部分功能的相对频率在个体间是一致的，并且对包括剖宫产在内的外源性干扰具有抗干扰性(图6A)。同样，在我们的模型中，通过WGS测序鉴定出的婴儿粪便中很少有物种发生了显著变化(图S15)。产时抗生素对通路变异的影响最大，10个不同的通路与产时抗生素使用呈正相关或负相关(图6B)。相比之下，孕龄和孕前体重指数对婴儿粪便路径变化影响不大。特别令人感兴趣的是，考虑到抗生素的使用和母乳喂养实践的共线性关系，当对作为固定效应的协变量进行稳固线性混合建模控制时，剖宫产分娩方式本身对婴儿的元基因组没有差异效应，也不影响其功能。
图6 婴儿微生物群落功能与临床元数据的广义线性模型
结 论
作者进行了迄今为止最大的利用全基因组鸟枪分析了成对的母婴新生儿和婴儿时期多个身体部位微生物群的组成和功能的研究。我们发现新生儿的微生物群及其相关的功能通路在分娩时在全身各个部位都是相对均匀的，但新生儿胎粪除外，然而，到6周时，婴儿的微生物群落结构和功能明显扩大且趋于多样化，身体部位是细菌群落组成及其功能的主要决定因素。尽管新生儿(刚出生时)一些身体部位(口腔、鼻腔和皮肤)的微生物群落结构的微小变化与剖宫产有关(口腔、鼻腔和皮肤,R2 =0.038);而没有观察到在新生儿粪便中的变化(胎粪，Mann-Whitney p>0.05)，且不论分娩方式，群落功能无明显差异。6周龄时，婴儿的微生物群结构和功能得到了扩展并呈现多样化，可见体位特异性(p<0.001, R2 = 0.189)，剖宫产时群落结构和功能均无明显差异(p=0.057, R2 = 0.007)。我们的结论是，在出生后的6周内，婴儿的微生物群经历了重大的重组，这主要是由身体部位而非分娩方式所驱动的。
评 论
通过比较不同时期、不同分娩方式的婴幼儿不同体位处的微生物群的组成和功能，发现在出生后6周内，婴儿不同身体部位的微生物群经历了重大重组。这些发现可能有助于更好地了解影响婴幼儿微生物群落的形成与成熟的时间及驱动因素。评价仅属小编的个人看法，欢迎大家一起讨论。感谢大家多提意见，提携小编进步。
你可能还喜欢
（1）科研 | Nature子刊：根系分泌的代谢物通过塑造根际微生物群来驱动植物-土壤对生长和防御的反馈
（2）科研 | ISME：氮沉降对全球土壤微生物的负效应 (国人作品)
（3）科研 | ISME：升温改变功能性微生物群落增强有机碳分解（国人作品）
（4）科研 | Nature：地球表层土壤微生物群落的结构和功能
（5）科研 | ISME：空间结构对土壤微生物间一种新型营养缺陷相互作用的影响
（6）综述|Nature review microbiology：多年冻土的微生物生态学
（7）科研 | 猪粪与棉秆共堆肥过程中微生物群落和环境变量对抗生素抗性基因的贡献（国人作品）
培训班推荐👇，快来参加，充实自己吧！