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文獻解讀

小鼠腸道微生物多樣性+代謝組聯合分析

FABURIQI:2019-03-08 LIULANCISHU:634

  摘要

  低劑量的、不會殺死細胞的輻射處理會對病理學的臨床表現造成強烈的影響,包括微生物和宿主基因表達的變化。盡管腸道微生物對維持人類身體健康的必要性已經廣為人知,但是輻射對微生物群落的改變機理仍然了解的很少。本研究將小鼠暴露在高LET(線性能量傳輸)輻射下,觀察腸道微生物組分和功能的潛在變化。同時發現多種與酶的活性相關的代謝物豐度也發生了顯著的變化。分析結果表明在不同劑量的輻射下微生物和代謝物的組分會發生動態變化,這可能是由于不同輻射劑量對微生物生態與宿主細胞損傷修護過程中的信號互作的影響產生的結果。除了微生物的群落結構發生變化外,一系列和微生物特異酶促反應相關的通路活性也發生了變化,包括碳水化合物的消化和吸收以及脂多糖的生物合成等,而響應輻射劑量變化的如磷脂酰肌醇信號通路會影響特定生物學分類微生物的豐度。


  材料方法

  6個月大的雄性小鼠,16O (600 MeV/n)四種輻射劑量(空白對照、0.1、0.25、1Gy)處理(每種處理各10只小鼠);

  測序平臺:Illumina HiSeq 2500,16S rRNA V4(F515/R806);

  微生物種類豐度、多樣性分析:QIIME;α多樣性分析:Faith’s phylogenetic diversity metric (PD);β多樣性分析:PCoA(非加權UniFrac距離);16S rRNA測序樣品的KO功能注釋:PICRUSt;

  小鼠糞便代謝組:UPLC-ESI-QTOF-MS;代謝物鑒定數據庫:Metlin,HMDB(一級質譜);mass tolerance thresholds:1-7.5ppm。(質荷比誤差范圍);代謝網絡互作圖:內部腳本(通過計算所有微生物可能的得分);

  代謝物網絡模型:依靠KEGG數據庫中的不可逆酶活反應(KEGG REST API);


  研究結果

  1、小鼠在不同劑量LET輻射下糞便中微生物的變化

  a.不同劑量輻射及不同的輻射時間小鼠腸道微生物的變化;(隨著劑量的上升,微生物豐度在下降,輻射劑量達到0.25Gy時為最低值;時間較長的輻射對應微生物豐度也越低)b.不同劑量輻射及不同的輻射時間小鼠腸道微生物群落的PCoA分析;(和空白對照相比在0.1和0.25Gy下的微生物群落結構差異較大,當達到1Gy時群落結構與空白對照相近)c/d.不同劑量輻射及不同的輻射時間小鼠腸道科水平的微生物群落變化。


  2、不同劑量輻射下微生物的動態變化

  a.在不同劑量和時間處理下微生物豐度變化的各種動態模型(時間和劑量對微生物豐度的影響存在復雜的互作關系);b.在不同劑量和時間處理下微生物豐度變化的限制主坐標分析(基于距離的冗余分析),主要特點是提高對不同樣品間豐度相似度很高的微生物的區分能力;c.受試者特征曲線分析(TP:真陽性率,FP:假陽性率,AUC:曲線下面積)


  3、輻射對小鼠腸道微生物功能基因的影響

  a.不同時間和輻射劑量下功能基因的變化(FishTaco),圓圈大小和顏色代表通路活性的高低(紅色>綠色);b.預測的發生變化的功能基因是和特殊的微生物群落豐度相關的。


  4、輻射對小鼠腸道微生物代謝物的影響

  a. 在不同劑量和時間處理下各種代謝物豐度變化的限制主坐標分析(基于距離的冗余分析),主要特點是提高對不同樣品間豐度相似度很高的代謝物的區分能力;b.不同條件下代謝物在HMDB(化學分類數據庫)中的注釋及豐度分析。


  5、代謝網絡模型及微生物-代謝組相關性分析

  a.代謝物和微生物之間的網絡互作分析(共259種代謝物,265種微生物),圓圈大小:代謝微生物或代謝物的豐度,線寬:代謝物和微生物之間的相關性強度;

  b.幾種代謝物豐度(實際豐度:實心barplots,相對豐度:空心barplots),以及微生物群體和個體對應代謝物相對豐度的相關性分析。


  研究亮點

  1、通過對小鼠在不同劑量的輻射和不同輻射時間的處理和對照之間進行比較分析,輻射對小鼠腸道微生物群落結構和代謝物組成造成的影響。

  2、對不同劑量和時間處理下微生物群落豐度變化進行各種動態模型的構建,并且利用敏感度更高的CAP(db-RDA)分析不同處理組間差異最大的微生物類型。結合ROC分析對微生物豐度分析進行準確性判斷。

  3、對不同處理下微生物群落的功能基因和代謝物的變化進行注釋分析。

  4、描述了微生物和代謝物之間的相關性(網絡互作圖),并利用代謝物的相對表達量(CMP值)對微生物個體與整個微生物群落對某種代謝物貢獻的相關性進行了分析。

  參考文獻

  Space-type radiation induces multimodal responses in the mouse gut microbiome and metabolome. IF=8.496