研究揭示靈長類腸道菌群在全生命周期中的動態變化
發布時間：2022-01-03
近日，廣東省科學院動物研究所非人靈長類研究課題組、江南大學-廣東省科學院動物研究所慢性病靈長類研究聯合實驗室的科研人員在基因組與遺傳領域TOP期刊Genomics，Proteomics & Bioinformatics發表研究論文。通過以健康的食蟹猴為模型，有效減少人群研究中難以避免的混雜因素，研究發現了靈長類腸道菌群在組成結構和互作網絡拓撲結構等層面的年齡依賴性變化，并鑒定了與該過程相關的關鍵驅動微生物，為理解靈長類全生命周期中腸道菌群的發育及其與健康老齡化的關系提供了重要參考。
年齡如何影響腸道菌群成為近來研究熱點之一。由于人群中復雜的環境因在個體間的差異，年齡的實際作用不可避免地會被混雜因素所干擾。因此，通過控制良好的環境來減少混雜因素的影響，對于客觀揭示健康靈長類中腸道菌群隨年齡改變而發生的變化是必不可少的。食蟹猴是廣泛使用的非人靈長類動物實驗模型，腸道菌群與基因與人高度相似。該研究對圈養食蟹猴的腸道菌群進行了16S rRNA基因測序，研究其從嬰幼期到老年過程中年齡相關腸道菌群在組成結構和功能、微生物互作網絡拓撲結構等方面的表征，系統揭示了靈長類腸道菌群在全生命周期中的動態變化。
菌群多樣性分析表明：在各個年齡組的食蟹猴糞便樣本中厚壁菌門和擬桿菌門為兩個優勢門。與嬰幼組相比，發現與嬰幼組相比，成年組尤其是中老年組中厚壁菌門與擬桿菌門的比值顯著增加，β多樣性變化非常明顯(圖1)。菌群豐度與年齡的進一步相關性分析表明：在門水平上，Epsilonbacteraeota等6個門與年齡呈負相關，而Actinobacteria等9個門與年齡呈正相關；在屬水平上，共有112個屬與年齡顯著相關，與年齡相關性最強的有40個屬。在這些微生物中，23個屬與年齡呈負相關，其中大部分是潛在的共生菌，包括來自Lachnospiraceae 的11個屬，來自Prevotellaceae的2個屬，來自Ruminococcaceae的2個屬。這些發現為更好地了解疾病中腸道菌群的變化提供重要的參考。
拓撲學分析結果顯示(圖2)，嬰幼組中腸道菌群網絡有連接性最低。菌群互作網絡在青年組中發展到更成熟的階段，而在中年組中具有最高的連接性。出乎意料的是，盡管在老年組和中年組之間發現有相似的腸道菌群多樣性，但在老年組中菌群互作網絡的連接性急劇下降，提示菌群互作網絡的連接性可能是比生物多樣性更適合反映菌群衰老的指標。關鍵菌屬分析發現Prevotella 9 是四個年齡組以及使用所有樣本構建的網絡唯一共有的關鍵屬。此外，影響菌群變化的驅動微生物分析結果提示Prevotella 9 是影響嬰幼組和青年組之間菌群互作改變的唯一驅動菌。與嬰幼組相比，青年組的腸道菌群建立了與Prevotella 9 的新相互作用。在中年組中，Rikenellaceae RC9 和Megasphaera則是腸道菌群長期發育相關的關鍵驅動微生物。
本文的共同第一作者為魏志遠博士、饒軍華副研究員，通訊作者為陳建歡教授。該工作得到廣東省科學院科技發展專項 (No: 2019GDASYL-0302007)，國家自然科學基金(Nos: 31671311, 81170853)，廣東省科技計劃項目(No: 2017A070702014, 2014B070706020)，國家重點研發計劃(No: 2018YFA0901700)等基金項目資助。
圖1 不同年齡組食蟹猴中厚壁菌門與擬桿菌門的比例和β多樣性
圖2 拓撲分析確定腸道菌群網絡中的關鍵和驅動菌屬
論文信息：Wei ZY, Rao JH, Tang MT, Zhao GA, Li QC, Wu LM, Liu SQ, Li BH, Xiao BQ, Liu XY, Chen JH. Characterization of Changes and Driver Microbes in Gut Microbiota During Healthy Aging Using a Captive Monkey Model. Genomics, Proteomics & Bioinformatics.Dec.30, 2021. https://doi.org/10.1016/j.gpb.2021.09.009
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.gpb.2021.09.009
數據鏈接：https://ngdc.cncb.ac.cn/search/?dbId=&q=PRJCA003833
（創新藥物與疾病動物模型研究中心 饒軍華/供稿）