科研 | 宏蛋白质组学揭示早产儿肠道微生物演替过程中功能变化
导读
在出生期间和之后的快速阶段，微生物定植人类胃肠道（GI）并最终形成稳定的、成人样的微生物群体。研究表明，早产儿与足月新生儿肠道微生物之间存在着差异。一般认为，首先定植的菌株是兼性厌氧菌，主要是葡萄球菌，链球菌，肠球菌和肠杆菌，它们产生厌氧环境，允许双歧杆菌，类杆菌和梭菌等专性厌氧菌定殖。在早期阶段，肠道微生物群是动态变化的，且非常容易受到宿主和环境因素的影响。早产对肠道微生物的影响巨大。早产儿的微生物定植模式异常，表现为高水平的兼性厌氧菌和专性厌氧菌如双歧杆菌的定植延后。此外，早产儿比足月新生儿更频繁地接受剖腹产、住院治疗、抗生素治疗，且肠内营养和配方喂养延迟，容易导致早产儿肠道富含兼性厌氧菌的细菌群落。
很多报道都涉及到早产儿肠道微生物的组成，但鲜有研究肠道微生物功能的文章。曾有一篇报道，引入了宏蛋白质组学的技术，对早产儿肠道微生物的代谢活动进行了分析，结果表明微生物活性能够及时转化为更复杂的代谢活动。因此，本文结合16S rRNA 基因测序技术和宏蛋白质组学，分析和检测早产儿前6周内微生物群的发育情况及其影响因素。
原名：Metaproteomics reveals functional differences inintestinal microbiota development of preterm infants
译名：宏蛋白质组学揭示早产儿肠道微生物演替过程中功能变化
期刊：Molecular & Cellular Proteomics
IF：6.540
发表时间：2017年
通信作者：Clara Belzer
通信作者单位：Laboratory of Microbiology, Wageningen University
1、出生后的前两周微生物组成变化巨大
宏蛋白质组学分析表明，出生2周内的所有早产儿的粪便中的细菌蛋白比例较低（0.7-12.1％），从出生后第三周开始，微生物来源的蛋白组成快速增长（图1）。微生物多样性分析的结果，Enterococcus和Staphylococcus这两种细菌为主要微生物，占比分别达到了73%和97%。
图1 各来源蛋白的占比（bacterial, human and bovin） A-H: individualinfants
2、不同孕期对微生物在肠道早期的生长繁殖的影响
采用粪便宏蛋白组学结果发现，极早产儿（EP）和早产儿（VP）的结果能够很容易区分。甚至，25-26周与27周的样本也能明显区分（图2A）。
不同孕期所导致的宏蛋白质组学数据上的差异，可以用微生物种类的不同来阐述。早产儿肠道中双歧杆菌源的蛋白大量增加，而极早产儿EP25-26和EP27分别肠球菌和克雷伯菌源的蛋白大量增加（图2B）。
16s rRNA测序结果显示，这几类样品中，分别以链球菌,肠杆菌和双歧杆菌为主（图2C）。
图 2
3、不同孕期早产儿细菌活性的差异
将粪便细菌蛋白与之相关联的KO ID进行匹配，可以划分为21个KEGG Brite功能类别。涉及到翻译、糖类代谢、能量代谢、膜运输和未知过程的蛋白比例较大（64-93%）（图3C）。
图 3
针对KEGG Brite归类的结果，整体分类分析显示不同种类的细菌源的蛋白的功能相似。在早产儿样本中（VP infants），双歧杆菌是发挥功能的主要菌属。但是在及早产儿（EP infants）中，糖类代谢及能量代谢蛋白主要由肠球菌产生。EP27极早产儿样本中，膜转运蛋白主要由克雷伯菌产生，然而在EP25-26样本中，却是由克雷伯菌和肠球菌共同产生（图2D）。
基于KO ID进一步对不同孕期早产儿粪便样品蛋白功能的相似性（差异性）进行分析。分类分析发现，极早产儿和早产儿的显著差异。极早产儿粪便细菌蛋白更多参与翻译及膜转运；早产儿粪便细菌蛋白的功能主要是糖类及能量代谢（图2E）。
图 2
4、双歧杆菌（Bifidobacterium）为主的菌群代谢指向人乳寡糖的降解
早产儿样本以双歧杆菌为主要优势菌群，并且以糖类和能量代谢为主。ABC transporters，糖酵解酶类参与以人乳寡糖为主的复杂糖分子的代谢过程中。而糖酵解酶类(β-半乳糖苷酶)主要由双歧杆菌、肠杆菌、链球菌和梭菌形成。双歧杆菌源的β-半乳糖苷酶在所有早产儿样本中均存在，但是相较于极早产儿（EP），在早产儿（VP）样本的含量更丰富。双歧杆菌源的ABC transporter蛋白在VP样本中含量更丰富。
5、呼吸支持及抗生素治疗对微生物菌群结构演替的影响
采用冗余分析揭示微生物群落结构和功能对临床特征的影响。结果发现，持续的呼吸及抗生素治疗导致不同孕期样本中粪便微生物的组成及蛋白的KO ID的差异（图4）。基于16S测序和蛋白KO ID数据，呼吸支持对微生物差异的影响分别占24.1%和4.9%，抗生素的影响治疗分别占25.6%和44.6%（图4）。
而其他的因素，比如生产方式、出生重量、喂养不耐受、母乳喂养的比例均未造成显著影响。
图 4
注：左图为16S rRNA数据结果，右图为蛋白KEGG分类结果。 AB: 抗生素，AB1：第一阶段抗生素治疗；AB2:第二阶段抗生素治疗，Vent_CPAP_days: 持续通气或呼吸机。
综合来看，本文作者所做的研究揭示了孕期与肠道中Bifidobacterium含量呈正相关，与兼性厌氧菌呈负相关。肠道菌群演替易受到呼吸支持、抗生素治疗的影响。极早产儿（EP）更经常接受这些治疗，从而导致他们肠道类更容易富集兼性厌氧菌，产生参与转录和膜转运过程的蛋白。早产儿（VP）接受的治疗时间相对较短，肠道菌群更稳定，代谢活动更活跃，形成以Bifidobacterium为主的菌群。
本文由George编译，莫秋芬、江舜尧编辑。