卢森堡大学：综合多组学分析揭示1型糖尿病患者口腔微生物群的改变及其对肠道微生物群的影响

背景

数以千计的不同的微生物类群定植在人体不同的黏膜和皮肤栖息地中。这些群落及其功能性基因互补体直接与宿主生理 (尤其是免疫系统)相互作用。改变的群落组成被认为在触发炎症过程中起着至关重要的作用，而炎症过程最有可能是包括自身免疫性疾病在内的慢性疾病的驱动因素。人体微生物群受到身体各部位特有的生物和非生物因素的影响，从而产生不同的微生物群落组成。虽然密切相关的类群可能存在于多个位点，但大多数物种表现出分化为局部适应的菌株。

简介

2022年12月28日，来自卢森堡大学的P. Wilmes及其团队在Microbiome (IF: 16.837)杂志上发表名为Alterations of oral microbiota and impact on the gut microbiome in type 1 diabetes mellitus revealed by integrated multi-omic analyses的研究[1]。

主要结果

在本研究中，我们对8个家系进行了多组学口腔和肠道微生物群研究，每个家系至少有2例T1DM病例 (图1A)。这扩展了之前专注于数据子集的研究。目前的工作还包括对所有参与者的口腔进行宏基因组 (MG)和宏转录组 (MT)分析。我们总共分析了来自35名多次就诊者的84份粪便和76份唾液样本。我们生成了84份粪便和74份唾液的MG数据、64份粪便和71份唾液的MT数据以及71份粪便样本的MP数据。在这35人中，17人为T1DM患者，18人为健康家庭成员 (图1A)。总共获得了653.4 Gbp的DNA测序数据、870.6 Gbps的RNA测序数据和13833325个片段离子谱。

图1. 队列描述和研究工作概述

唾液链球菌在肠道中的丰度降低，有利于入侵环境和肠道细菌的爆发

对来自肠道的多组学数据进行的差异丰度分析显示，不同条件之间几乎没有差异。唾液链球菌在肠道中的低丰度与我们在口腔中观察到的趋势一致。唾液链球菌定植在成年人的肠道中，并通过抗炎作用和防止病原体的大量繁殖来维持肠道稳态。既往研究表明，从口腔中分离的唾液链球菌菌株能够通过显著降低肠上皮和免疫细胞系中NF-κB的活化和IL-8的分泌来预防体内和体外的侵袭性反应。因此，唾液链球菌丰度的降低可能最终会导致肠道环境变得更加恶劣。

肠道内炎症驱动的肠杆菌大量繁殖有多种可能的机制。其中一种依赖于侵入性宿主反应，该反应产生强效抗菌剂 (过氧亚硝酸盐)，该抗菌剂会迅速转化为硝酸盐，然后通过硝酸盐呼吸作用用于细菌生长。由于肠道中编码硝酸盐还原酶的基因大多由肠杆菌所编码，这种富含硝酸盐的环境为大肠杆菌等肠杆菌提供了生长优势。除了参与氧化应激的基因，我们还发现钼蝶呤氧化还原酶4Fe-4S结构域在T1DM中过度表达 (图3)。该结构域在许多还原酶/脱氢酶家族中都被发现，尤其是在大肠杆菌中的呼吸硝酸盐还原酶中，这进一步支持了我们在T1DM背景下的内陷肠道假说。之前已部分观察到T1DM中肠杆菌丰度增加，但信号不一定明确，或与抗生素诱导的T1DM加速等混杂因素相关，没有发现功能性证据。

图3. T1DM患者肠道内的差异基因表达分析

多组学整合突出了细菌从口腔向肠道的转移及其活性

由于在口腔和肠道中均发现了较低丰度的唾液链球菌，因此我们试图探索胃肠道两端之间的传播，并评估队列中的传播水平。为此，我们在口腔和肠道的读码支持下识别并跟踪了基因组变异。与之前仅观察使用基于MG的菌株变异体的传播的研究相反，我们另外利用MT和/或MP数据不仅鉴定了转移的和功能活跃的菌株变异体。此外，虽然MG和MT分析是基于测序的，但宏蛋白质组学提供了基于肽和质谱分析的独立信息层。通过用变体氨基酸序列鉴定翻译的蛋白，这提供了通过用变异氨基酸序列鉴定翻译蛋白来强烈验证已识别的转移错义变异体的机会。首先使用在口腔和肠道的读码支持下的所有基因组变体，我们确定了在我们的大多数队列中，肠道内将在MT水平转移并具有活性的普雷沃菌属和拟杆菌属 (图5A)。普雷沃氏菌属在口腔中相对常见且含量丰富，但在肠道中较少。因此，发现它被转移并处于活跃状态并不奇怪。相比之下，虽然拟杆菌属在肠道中非常丰富，但在口腔中很少被发现。事实上，在我们的研究中，从拟杆菌观察到的信号主要来自少数特定的个体，并不能代表整个队列。

图5. 跨多个组鉴定的属的变异体

结论及展望

在本研究中，我们观察了胃肠道两端两个重要身体部位 (口腔和肠道)的微生物群，并在一项家族性T1DM病例研究中发现了细菌分类群的组成、功能和转移方面的差异。

在1型糖尿病的背景下，口腔微生物组的改变会影响下肠道的微生物群，特别是通过减少唾液链球菌的“口-肠”转移。我们的结果表明，观察到的口腔驱动的肠道微生物群变化可能参与了T1DM中涉及的侵入过程。通过整合多组学分析，我们解决了疾病背景下的菌株变异型“口-肠”转移。

原文链接

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-022-01435-4

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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