1型糖尿病（T1D）是一种自身免疫性疾病，通常在儿童期和青春期表现出来，其特征是胰腺β细胞破坏导致胰岛素缺乏。超过 2/3 的血清转化为多种胰岛自身抗体（IA）的儿童在 10年内进展为T1D。IA血清转换的特征在于胰腺β细胞抗原存在自身抗体，包括胰岛素（IAA），谷氨酸脱羧酶（GADA），胰岛素瘤相关自身抗原（IA2A）和/或锌转运蛋白8（ZnT8A）。越来越多的证据表明，环境因素在IA自身免疫的发作以及儿童和年轻人T1D的进展中起着重要作用。肠道微生物群是与免疫系统相互作用以触发IA血清转换或T1D发病机制的关键环境因素。一些具有遗传易感性的儿童的免疫系统可被某些环境因素触发，产生针对胰岛β细胞的IA，这大大增加了他们患1型糖尿病的风险。
今天就和大家来介绍一篇今年6月21日最新发表在Nature Communications（IF：17.694）上的关于肠道菌群的高分文章，这篇“Islet autoantibody seroconversion in type-1 diabetes is associated with metagenome-assembled genomes in infant gut microbiomes”
来自哈洛德汉姆糖尿病中心（https://www.ouhealth.com/harold-hamm-diabetes-center）和俄克拉荷马大学健康科学中心的张力教授带领其团队联合发表的，揭示了一组与IA血清转换相关的且首次发现的肠道微生物，并分析其功能基因组学特征，为菌株级精确干预1型糖尿病策略提供数据支撑。
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原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-31227-1
研究背景
本篇文章研究了在青少年糖尿病的环境决定因素（TEDDY）项目中887名高危儿童的肠道宏基因组。许多纵向研究，包括TEDDY,DIABIMMUNE等多个肠道菌群研究团队表征了肠道微生物群在自身免疫发展中的作用。
本文中使用基因组分辨宏基因组学方法来重新分析TEDDY微生物组数据，以实现以下目标：
1
确定在大规模纵向微生物组研究中是否可以有效地实现宏基因组组装和分档。
2
基于蛋白质家族的宏基因组组装体鉴定核心微生物组。
3
确定与IA血清转换显著相关的MAGs（宏基因组），以确定在具有IA关联的MAGs中的代谢途径。
研究内容
1. 宏基因组组装基因组的纵向分档
TEDDY项目对276个粪便样本的宏基因组进行了测序，作者从dbGap数据库中获得了宏基因组测序数据。将来自同一受试者的所有粪便样本组合并共同组装成每个受试者的复合宏基因组。对每个组装体的读取映射的高百分比表明，通过将每个粪便样本的读数映射到获得粪便样本的受试者的相应复合宏基因组组装上，估计单个粪便样品中所有支架的相对丰度。这些覆盖率数据代表了每个受试者每个支架的纵向丰度图谱，用于分箱每个受试者复合宏基因组的MAG。
图1. TEDDY的高质量MAGs的系统发育和分类学分布
以TEDDY为代表的883个物种的分类树。由356个MAG代表的总共176个物种在任何这些现有数据集中都没有恢复，这些物种也没有在PATRIC和IMG数据库的人类肠道微生物组的参考基因组中发现。本研究为人类肠道微生物组中176种以前未描述的物种回收了356个高质量MAG。这些物种进一步扩大了被发现栖息在人类肠道中的微生物基因组的分类范围。TEDDY宏基因组项目提供了肠道细菌发育的基因组分辨纵向图谱。研究中评估了8个时间段的物种丰度概况。7个集群在不同时间段都具有物种丰度的单一峰值。
图2. TEDDY微生物组的基因组分辨纵向丰度图谱
2. 儿童肠道微生物群中的核心蛋白家族
从宏基因组组装体中预测了约1.56亿个蛋白质编码序列，宏基因组读取到蛋白质编码基因上的映射率，随着受试者的成熟和微生物组的多样化，映射率仅略有下降。在TEDDY研究的过程中，142个保守且分布广泛的蛋白质家族的读取映射率从67%下降到60%（图3d）。表明每个粪便微生物组的蛋白质组由几个保存良好且分布广泛的核心蛋白质家族以及许多稀有且保存不良的家族组成。核心蛋白家族根据其在3至35个月大的八个发育阶段的平均丰度的纵向分布进行聚类。将142个核心蛋白家族聚类为10个具有不同时间模式的簇，反映了儿童早期伴随的功能变化以及群落组成变化。
图3. 从人类肠道微生物群构建蛋白质核心家族
3. IA血清转换与微生物群生态失调的相关性
如果检测到三种胰岛自身抗体之一，MIAA，GAD或IA2A，则认为受试者具有IA血清转换。作者假设许多受试者的血清转换可能与肠道微生物群中某些微生物和功能（即MAG和蛋白质家族）的宏基因组丰度变化有关。GLMM鉴定了5346个核心蛋白家族，估错发现率为0.03，这表明血清转换后样品和对照样品之间的基因丰度显著不同。在2190个家庭中发现与IA血清转换的正相关，而3156个家庭与IA血清转换呈负相关。系统发育树仅包含10个以上高质量MAG的物种。分类群以不同颜色的弧线突出显示，并在图例中标识。在具有和不具有显著MAG的相邻分类群之间进行比较基因组学。
图4. 与血清转换呈正相关或负相关MAGs的分类分布
4. 与IA血清转换相关的MAGs的比较基因组学分析
对含有与IA血清转换正相关的MAGs的五个分类分支进行了比较基因组学分析，这些MAGs被分配到来自相邻谱系的相同分类等级。使用MAG丰度进行单独的GLMM分析，以独立验证这些MAG组与血清转换关联的统计学意义。发现五个阳性组和两个阴性组中的MAGs丰度与IA血清转换作为固定效应有显著关联，而对照组的MAG则没有。肠杆菌目含有来自肠杆菌科410个与血清转换呈负相关的MAGs，大肠杆菌LPS被证明可诱导保护性内毒素耐受性并延缓T1D。比较基因组学分析确定反硝化是这些MAG中最丰富的途径。由于膳食硝酸盐摄入量是T1D的危险因素，该研究假设这些微生物可能通过反硝化降低肠道中的硝酸盐水平来提供对T1D的保护作用。
研究总结
由于在个体中持续观察到肠道微生物组组成的强烈变异性，人类肠道微生物组研究的一个核心目标是在种群规模上定义一个“核心”微生物组。本研究进一步扩大了人类肠道MAG收集的多样性。利用多中心，纵向宏基因组学研究中受试者特异性宏基因组共组装和时间共方差分档的优势，实现了宏基因组读取的高映射率，并且在比较观察到的微生物组部分时变异性增加。将MAG的IA关联按其分类法分组，能够进行比较基因组学分析，以控制分类群之间广泛的进化差异，并具体识别与IA相关的功能偏差，用于分析，显示了一组与IA血清转换相关的独特的肠道微生物，并发现了这些与IA相关的微生物的功能基因组学特征。后期将针对1型糖尿病，进行菌株级精确干预策略，通过在疾病进展的关键窗口期间使用益生菌和/或益生元促进或抑制个人微生物群中的特定微生物菌株。
转自：“学术查”微信公众号
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