研究揭示灵长类肠道菌群在全生命周期中的动态变化
发布时间：2022-01-03
近日，广东省科学院动物研究所非人灵长类研究课题组、江南大学-广东省科学院动物研究所慢性病灵长类研究联合实验室的科研人员在基因组与遗传领域TOP期刊Genomics，Proteomics & Bioinformatics发表研究论文。通过以健康的食蟹猴为模型，有效减少人群研究中难以避免的混杂因素，研究发现了灵长类肠道菌群在组成结构和互作网络拓扑结构等层面的年龄依赖性变化，并鉴定了与该过程相关的关键驱动微生物，为理解灵长类全生命周期中肠道菌群的发育及其与健康老龄化的关系提供了重要参考。
年龄如何影响肠道菌群成为近来研究热点之一。由于人群中复杂的环境因在个体间的差异，年龄的实际作用不可避免地会被混杂因素所干扰。因此，通过控制良好的环境来减少混杂因素的影响，对于客观揭示健康灵长类中肠道菌群随年龄改变而发生的变化是必不可少的。食蟹猴是广泛使用的非人灵长类动物实验模型，肠道菌群与基因与人高度相似。该研究对圈养食蟹猴的肠道菌群进行了16S rRNA基因测序，研究其从婴幼期到老年过程中年龄相关肠道菌群在组成结构和功能、微生物互作网络拓扑结构等方面的表征，系统揭示了灵长类肠道菌群在全生命周期中的动态变化。
菌群多样性分析表明：在各个年龄组的食蟹猴粪便样本中厚壁菌门和拟杆菌门为两个优势门。与婴幼组相比，发现与婴幼组相比，成年组尤其是中老年组中厚壁菌门与拟杆菌门的比值显著增加，β多样性变化非常明显(图1)。菌群丰度与年龄的进一步相关性分析表明：在门水平上，Epsilonbacteraeota等6个门与年龄呈负相关，而Actinobacteria等9个门与年龄呈正相关；在属水平上，共有112个属与年龄显著相关，与年龄相关性最强的有40个属。在这些微生物中，23个属与年龄呈负相关，其中大部分是潜在的共生菌，包括来自Lachnospiraceae 的11个属，来自Prevotellaceae的2个属，来自Ruminococcaceae的2个属。这些发现为更好地了解疾病中肠道菌群的变化提供重要的参考。
拓扑学分析结果显示(图2)，婴幼组中肠道菌群网络有连接性最低。菌群互作网络在青年组中发展到更成熟的阶段，而在中年组中具有最高的连接性。出乎意料的是，尽管在老年组和中年组之间发现有相似的肠道菌群多样性，但在老年组中菌群互作网络的连接性急剧下降，提示菌群互作网络的连接性可能是比生物多样性更适合反映菌群衰老的指标。关键菌属分析发现Prevotella 9 是四个年龄组以及使用所有样本构建的网络唯一共有的关键属。此外，影响菌群变化的驱动微生物分析结果提示Prevotella 9 是影响婴幼组和青年组之间菌群互作改变的唯一驱动菌。与婴幼组相比，青年组的肠道菌群建立了与Prevotella 9 的新相互作用。在中年组中，Rikenellaceae RC9 和Megasphaera则是肠道菌群长期发育相关的关键驱动微生物。
本文的共同第一作者为魏志远博士、饶军华副研究员，通讯作者为陈建欢教授。该工作得到广东省科学院科技发展专项 (No: 2019GDASYL-0302007)，国家自然科学基金(Nos: 31671311, 81170853)，广东省科技计划项目(No: 2017A070702014, 2014B070706020)，国家重点研发计划(No: 2018YFA0901700)等基金项目资助。
图1 不同年龄组食蟹猴中厚壁菌门与拟杆菌门的比例和β多样性
图2 拓扑分析确定肠道菌群网络中的关键和驱动菌属
论文信息：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
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gpb.2021.09.009
数据链接：https://ngdc.cncb.ac.cn/search/?dbId=&q=PRJCA003833
（创新药物与疾病动物模型研究中心 饶军华/供稿）