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个性化定制网站有哪些,wordpress和抽奖页面,餐饮网站建设怎么建设的,关于建设教体局网站的申请点击蓝字 关注我们 微生物群移植中的微生物组错配会导致持续的脱靶代谢及免疫调节效应 研究论文 ● 原文: Cell (IF 42.5 ) ●原文链接#xff1a;https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00564-1 ● DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.014 #xff0…点击蓝字 关注我们微生物群移植中的微生物组错配会导致持续的脱靶代谢及免疫调节效应研究论文● 原文:Cell(IF 42.5 )●原文链接https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00564-1● DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.05.014 2025/6/6● 第一作者Orlando DeLeonMora Mocanu● 通讯作者Eugene B. Changechangbsd.uchicago.eduKristina Martinez-Gurynkmarti2midwestern.edu● 主要单位芝加哥大学医学系、中西部大学生物医学科学系亮 点● 微生物通过改变局部肠道环境来增强自身适应性和定植能力● 不匹配的菌群会改变宿主组织及局部微生物组的代谢和免疫状态● 粪菌移植厌氧性微生物在小肠中的定植具有持久性● 小肠和大肠中区域匹配的微生物群可恢复肠道稳态。摘 要粪菌移植FMT是一种应用日益广泛的干预手段但其恢复肠道区域微生物群尤其是小肠内微生物群的适用性仍存疑问原因在于其菌群以厌氧菌为主。在通过上消化道内镜接受粪菌移植的人类受试者中4周后观察到厌氧菌在十二指肠定植。我们推测经口粪菌移植会造成宿主-微生物错配进而影响小肠稳态。为验证这一假设我们对经抗生素处理的无特定病原体SPF小鼠分别给予空肠、盲肠或粪便来源的微生物群移植分别简称JMT、CMT、FMT并在1个月或3个月后进行研究。结果显示空肠菌群移植和粪菌移植会改变区域微生物群的组成与功能、能量平衡以及肠道和肝脏的转录组其中空肠菌群移植更倾向于影响宿主代谢通路而粪菌移植则更易作用于免疫通路。菌群移植会调控肠道区域特性相关分子Gata4、Gata6和Satb2及下游分化标志物的表达。通过对暴露于代谢物的人类肠类器官以及粪菌移植后的十二指肠活检样本进行RNA测序RNA-seq验证了小鼠模型中的转录变化。因此粪菌移植后的区域微生物群错配可能导致非预期后果提示有必要重新审视基于微生物组的干预策略。结 果小肠和大肠的菌群移植可在肠道内定植并改变原生的区域微生物群落我们对7名通过上消化道内镜接受粪菌移植FMT的受试者进行了研究对粪菌移植前及移植后1个月的样本进行了16S rRNA扩增子测序图 1A。尽管在β多样性方面未发现显著差异图 1B未加权UniFrac距离PERMANOVA 检验p 无统计学意义但我们检测到粪菌移植后严格厌氧菌数量增加图 1C配对t检验∗p 0.05这证实了小肠内厌氧菌群定植显著增加的报道。由于小肠菌群SBM和大肠菌群LBM存在差异我们推测小肠内厌氧菌的定植可能对宿主产生不良影响。鉴于在人类中研究这一问题存在难度我们采用了抗生素处理后的不同菌群移植MT模型以更好地阐明区域菌群错配所带来的后果。我们对来自杰克逊实验室JAX的C57Bl6小鼠进行了为期2周的抗生素ABX氨苄西林、万古霉素、新霉素和甲硝唑处理随后通过口服灌胃方式给它们单次移植以下菌群小肠菌群空肠菌群即JMT [空肠菌群移植]、大肠菌群结肠菌群即FMT [粪菌移植]、小肠与大肠混合菌群盲肠菌群即CMT [盲肠菌群移植]或不进行菌群移植仅磷酸盐缓冲液[PBS]移植所用菌群来自室内繁殖的供体小鼠图 1D。盲肠菌群移植CMT和粪菌移植FMT的接种物按1:10稀释以适应大肠中较高的菌落形成单位CFUs。首先我们通过16S rRNA测序分析了各肠道区域生态系统内的菌群以确定菌群移植是否改变了菌群组成。在处死小鼠时直接从各肠道区域采集肠腔内容物这些内容物代表了特定于大肠和小肠的菌群群落。对整个肠道的β多样性比较图 1E 和 1F显示菌群组成因移植类型和肠道区域小肠 vs. 大肠而存在差异这表明菌群本身的差异及其所处的生态系统共同决定了区域菌群组成未加权UniFrac距离PERMANOVA检验p 0.05所有成对比较。对各肠道区域的分析显示每个肠道区段都有独特的菌群组成图 S1A-S1D且α多样性的变化具有移植依赖性图 S1E-S1H。接下来我们通过计算每种菌群移植MT所特有的扩增子序列变体ASVs的占比评估了移植微生物的定植情况。众所周知不同动物设施中的菌群存在显著差异每个小鼠群体都含有独特的微生物菌株。对ASV重叠情况的评估显示杰克逊实验室JAX与我们设施的小鼠菌群中共同的ASV占比≤5%。明确的供体菌株在最终菌群群落的ASVs中占5%–35%图 1G。不出所料空肠菌群移植JMT的微生物在空肠中的定植率为20%而在盲肠和结肠中的定植效率较低15%。粪菌移植FMT和盲肠菌群移植CMT的微生物在盲肠和结肠这两种厌氧环境中的定植效果最佳定植率为28%–30%在需氧的空肠中定植率较低5%–10%。这与空肠菌群移植后需氧菌水平较高、粪菌移植后厌氧菌水平较高的结果一致图 1H 和 1I。其中包括空肠菌群移植小鼠体内的需氧菌属——乳杆菌属Lactobacillus以及粪菌移植小鼠体内的厌氧菌属——ileibacterium属、Dubosiella属、Faecalibaculum属、Enterorhabdus属和脱硫弧菌属Desulfovibrio图 1J。特定肠道区域中部分细菌科完全缺失这表明菌群移植对区域菌群的恢复或无法恢复具有显著影响图 1K。我们还统计了在受体小鼠中检测到的、来自供体移植材料的独特且非冗余的ASV数量。在供体移植材料中共鉴定出449个非冗余ASV。在所有实验中空肠菌群移植的供体材料中检测到109个ASV粪菌移植的供体材料中检测到217个盲肠菌群移植的供体材料中检测到422个。在这些ASV中空肠菌群移植受体小鼠中平均检测到18.27个标准差±10.64盲肠菌群移植受体小鼠中平均检测到34.42个标准差±18.12粪菌移植受体小鼠中平均检测到27.97个标准差±14.32。各区域中特定ASV的定植情况详见图 S2供体ASV在受体小鼠中的平均定植率为10%–30%图 S2B 和 S2C。在长达3个月的时间里我们仍观察到定植现象以及因移植类型不同而产生的菌群组成差异这凸显了单次移植的微生物具有持久性定植的特点见数据 S1。为了分析菌群移植后最终菌群群落的功能潜力变化我们对这些小鼠的结肠内容物进行了宏基因组鸟枪法测序并进行了KEGG直系同源物KO通路分析比较了特定移植组相对于磷酸盐缓冲液PBS对照组中富集的通路图 S3。通路分析显示盲肠菌群移植和粪菌移植后恢复的通路数量分别为95条和79条多于空肠菌群移植45条其中许多通路在所有移植组中均有共享但也有部分通路具有特异性图 S3B 和 S3C。有趣的是空肠菌群移植的宏基因组中脂肪酸生物合成通路尤其富集而β-氧化基因、胆盐水解酶和7α-羟基类固醇脱氢酶7α-HSDHs的含量较低图 S3D–S3K方差分析∗p 0.05。综上所述这些数据表明单次小肠菌群SBM和大肠菌群LBM移植能够成功定植于整个肠道不仅是它们的原生生态位并且可以改变区域微生物组成和功能潜力且这种定植具有持久性。这进一步印证了在人类粪菌移植FMT后小肠内厌氧菌定植增加且具有持久性的类似观察结果。图1. 小肠和大肠的菌群移植可在肠道内定植并改变原生的区域微生物群落A人类粪菌移植FMT中的样本采集。B菌群移植后1个月肠道内容物的16S rRNA测序结果。基于未加权UniFrac距离的β多样性主坐标分析PCoA粪菌移植前蓝色粪菌移植后红色PERMANOVA检验无显著差异p 0.05。C粪菌移植前后严格厌氧菌的占比配对t检验∗p 0.05。D小鼠抗生素处理后移植模型的实验设计。E和F菌群移植后1个月肠道内容物的16S rRNA测序结果。E 基于未加权UniFrac距离的所有样本β多样性主坐标分析按移植类型着色磷酸盐缓冲液[PBS]灰色空肠菌群移植[JMT]粉色盲肠菌群移植[CMT]橙色粪菌移植[FMT]淡紫色F 按肠道区域着色小肠红色大肠蓝色PERMANOVA 检验∗p 0.001。G在空肠、回肠、盲肠和结肠中每种移植类型中源自供体的扩增子序列变体ASVs占比即菌群移植定植率方差分析∗p 0.05。H和I基于16S rRNA测序的需氧菌兼性厌氧菌占比及厌氧菌占比方差分析Tukey事后检验∗p 0.05。J各肠道区域中空肠菌群移植JMT与粪菌移植FMT之间丰度存在差异的属。图中显示了Maaslin2软件生成的显著富集系数JMT富集的属为粉色FMT富集的属为淡紫色。K不同处理组和肠道区域中排名前50的属的热图采用log2 scale。本图缩写包括DJ十二指肠-空肠JE空肠IL回肠CE盲肠CO结肠。所有误差线均表示±标准差SD。小肠和大肠菌群移植改变区域和全身代谢物库代谢物浓度的区域差异在一定程度上是由特定区域的微生物转化作用所驱动的。这些代谢物可作为信号分子影响宿主健康。为了表征微生物组的功能输出我们对十二指肠-空肠和结肠肠腔内容物进行了靶向代谢组学分析。我们检测了300多种已知的人类及微生物产生或修饰的化合物涵盖胆汁酸BAs、短链脂肪酸SCFAs、氨基酸以及碳水化合物/糖类等。在十二指肠-空肠或结肠中空肠菌群移植JMT组与粪菌移植FMT组之间有70种化合物的丰度存在差异分别如图2A和2B所示方差分析校正后p值0.05。通过主成分分析PCA可视化空肠菌群移植组与粪菌移植组的区域代谢组差异突出显示了菌群移植类型对微生物组功能输出的影响图2C-2EPERMANOVA检验空肠菌群移植组vs.粪菌移植组p 0.05。磷酸盐缓冲液PBS组和粪菌移植组的代谢组学特征相似。在粪菌移植组的十二指肠-空肠中我们检测到丙酸水平较高纤维二糖等复杂碳水化合物以及蔗糖、葡萄糖、果糖等单糖水平较低甘露醇、麦芽糖醇、山梨糖醇和卫矛醇等糖醇水平也较低。与空肠菌群移植组相比粪菌移植组的结肠中糖类/糖醇以及亮氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、天冬酰胺和赖氨酸等氨基酸的水平较低。我们观察到胆汁酸库存在显著差异包括牛磺鹅脱氧胆酸tauroCDCA、牛磺胆酸tauroCA和甘胆酸glycoCA等结合型胆汁酸水平较低。空肠菌群移植使十二指肠-空肠中胆汁酸的总浓度升高图2F方差分析p 0.05使结肠中次级胆汁酸的比例降低图2G方差分析p 0.05结合型胆汁酸比例有升高趋势但未达统计学显著性图2H方差分析p 0.05。我们发现菌群移植MTs还会影响血浆中的全身循环代谢物库通过主成分分析PCA和热图可观察到空肠菌群移植JMT组与粪菌移植FMT组之间存在明显差异图2J和2IPERMANOVA检验JMT组vs.FMT组p 0.05。JMT组血浆中的碳水化合物以及天冬氨酸、谷氨酸、脯氨酸等氨基酸含量更高而FMT组的异亮氨酸含量更高图2I方差分析p 0.05。然而与JMT组相比FMT组血浆中循环的棕榈酸、肉豆蔻酸、亚油酸和顺式油酸等脂肪酸浓度更高。这与循环胆汁酸库的变化相关图2K-2M。接受JMT处理的动物血浆总胆汁酸浓度显著升高方差分析p 0.05且检测到结合型胆汁酸增加。这些差异是由JMT组小鼠体内β-鼠胆酸和胆酸CA的富集引起的代谢组的持续性变化长达3个月其特征表现为氨基酸、胆汁酸和碳水化合物浓度发生类似变化见数据S1。综上所述这些数据表明小肠菌群SBM和大肠菌群LBM不仅会影响肠道区域微生物群的组成和功能输出还会影响多种经微生物修饰和产生的代谢物类别。图2.小肠和大肠菌群移植会改变区域及全身的代谢物库A和B靶向代谢组学分析中十二指肠-空肠和结肠内差异丰度代谢物的热图。对于任意两组间存在显著差异的代谢物方差分析事后Tukey检验∗p 0.05其数值以相对于空肠菌群移植JMT组平均丰度的log2倍变化表示红色表示高于JMT组蓝色表示低于JMT组。C-E十二指肠-空肠、盲肠和结肠中经log2标准化的代谢物丰度的主成分分析PCAJMT组粉色CMT组橙色FMT组淡紫色PBS组灰色。F-H十二指肠-空肠和结肠中检测到的16种最丰富胆汁酸的靶向代谢组学分析及绝对定量分别以总胆汁酸、次级胆汁酸百分比、结合型/非结合型胆汁酸表示方差分析事后Tukey检验∗p 0.05。I血浆中差异丰度代谢物的热图。对于任意两组间存在显著差异的代谢物方差分析事后Tukey检验∗p 0.05其数值以相对于JMT组平均丰度的log2倍变化表示红色表示富集蓝色表示减少。J血浆中代谢物的主成分分析PCAPERMANOVA检验Mann-Whitney检验JMT组 vs. FMT组∗p 0.05。K-M血浆中检测到的前16种胆汁酸的靶向代谢组学分析及绝对定量分别以总胆汁酸、次级胆汁酸百分比、结合型胆汁酸百分比表示方差分析事后Tukey检验∗p 0.05。所有误差线均表示±标准误SE。无菌GF小鼠与抗生素处理ABX模型具有相似性小鼠的食粪特性可能通过重复接种粪便菌群使粪菌移植FMT研究的解读变得复杂。此外抗生素处理和原生菌群可能会影响供体菌群的定植尽管在移植前有2天的时间让抗生素清除。为了明确在没有竞争、抗生素作用以及通过食粪行为重复接种粪便菌群的情况下小肠菌群SBM和大肠菌群LBM是如何定植的我们将空肠菌群移植JMT和粪菌移植FMT应用于无菌GF小鼠这类小鼠只能用移植的菌群进行自我再接种并进行了16S rRNA扩增子测序和代谢组学分析。与我们的抗生素处理后小鼠模型相似我们发现移植类型和肠道区域会影响菌群组成图3A和3B未加权UniFrac距离PERMANOVA检验p 0.001∗。除回肠外每个肠道区段都有独特的菌群群落图S4A-S4E未加权UniFrac距离PERMANOVA检验p0.001∗。尽管没有竞争性微生物粪菌移植在小肠SB的定植效率仍不如大肠LB约低20%图3C。虽然空肠菌群移植的微生物在小肠的定植效率比粪菌移植的微生物高约40%但空肠菌群移植在大肠的定植率存在差异20%-90%。空肠菌群移植后小肠的需氧菌和兼性厌氧菌定植增加而粪菌移植后厌氧菌定植增加分别为图3D和3E。然而大肠中未发现这种差异。有趣的是与空肠菌群移植-无菌小鼠相比空肠菌群移植-无特定病原体SPF小鼠的小肠中需氧菌水平更高、厌氧菌水平更低这可能是由于无菌小鼠小肠内氧气含量变异性较高所致图3F和3G。差异富集的微生物与无特定病原体小鼠中的情况相似包括空肠菌群移植富集的需氧乳杆菌属以及粪菌移植富集的瘤胃球菌科、真杆菌属、科里杆菌科、粪杆菌属和肠杆菌属图3HMaAsLin2分析p 0.05。这些与无特定病原体动物的代谢物特征相关包括空肠菌群移植富集的肠道氨基酸、短链脂肪酸减少、十二指肠-空肠和结肠中总胆汁酸增加、结肠中结合型胆汁酸增加以及次级胆汁酸减少图S4F-S4I数据S1。综上所述这些数据表明在没有抗生素、原生菌群竞争以及粪便菌群再接种等复杂因素的情况下无菌小鼠在整个肠道中表现出相似的定植模式和代谢物特征包括小肠内的厌氧菌定植。此外无菌小鼠的区域和全身胆汁酸库发生改变这与我们的抗生素处理后小鼠以及已知可防止食粪行为的“粪便收集”杯模型一致包括总胆汁酸增加和次级胆汁酸减少。图3.无菌小鼠与抗生素处理模型具有相似性A和B菌群移植后1个月肠道内容物的16S rRNA测序结果。基于未加权UniFrac距离的所有样本β多样性主坐标分析PCoA按移植类型着色A空肠菌群移植[JMT]粉色粪菌移植[FMT]淡紫色和按肠道区域着色B小肠红色大肠蓝色PERMANOVA检验所有空肠菌群移植组与粪菌移植组、小肠组与大肠组比较∗p 0.001。C移植转移效率计算方式为移植菌群中扩增子序列变体ASVs总数占移植物中扩增子序列变体总数的百分比单因素方差分析事后Tukey检验粪菌移植组的十二指肠-空肠和回肠相对于盲肠和近端结肠比较∗p 0.05。D小肠内空肠菌群移植组的需氧菌兼性厌氧菌百分比更高方差分析事后Tukey检验∗p 0.05。E粪菌移植后小肠内厌氧菌百分比更高方差分析事后Tukey检验∗p 0.05。F和G无特定病原体SPF小鼠与无菌GF小鼠中需氧菌兼性厌氧菌或厌氧菌丰度的比较方差分析事后Tukey检验∗p 0.05。H线性判别分析效应量LEfSe用于检测各区域中差异丰度的微生物。本图缩写包括DJ十二指肠-空肠JE空肠IL回肠CE盲肠CO结肠PC近端结肠DC远端结肠。所有误差线均表示±标准差SD。菌群移植会驱动不同的肝脏转录程序这种影响可持续长达3个月并改变能量平衡许多胆汁酸、碳水化合物和氨基酸具有生物活性作为信号分子并在总营养通量中对代谢产生重大影响。肠道中的代谢物通过整个肠道被吸收由肠道血管系统收集再经肝门静脉进入肝脏。肝脏是人体主要的代谢器官也是肠道外首个接触微生物产物的器官。鉴于肠道定植、代谢物库的变化以及小肠菌群SBM在代谢中的作用我们探究了区域微生物群错配对肝脏等远端器官的影响。我们通过RNA测序RNA-seq检测了菌群移植MT后的肝脏转录谱。各组移植后的肝脏转录组具有独特特征其中空肠菌群移植JMT组与粪菌移植FMT组之间的差异最显著PC1贡献率为16.57%而盲肠菌群移植CMT组则呈现中间表型PERMANOVA检验所有组间两两比较均p 0.05图4A。差异基因表达分析证实JMT组与FMT组之间的差异最大存在3928个差异表达基因DEGs图4B。JMT组与CMT组之间发现2504个差异表达基因FMT组与CMT组之间发现1805个差异表达基因DESeq2分析校正后p值 0.05图4C和4D。值得注意的是JMT组中富集了代谢和脂质相关基因包括含ELMO结构域蛋白3Elmod3、细胞色素P450家族成员Cyp4a14和Cyp4a32、围脂滴蛋白5Plin5、过氧化物酶体生物发生因子11αPex11a、溶质载体Slc25a47以及酰基辅酶A硫酯酶Acot1/2。FMT组中富集的血清淀粉样蛋白A3Saa3、脂笼蛋白2Lcn2、 Ephrin A3Efna3、白细胞介素33Il-33、T细胞受体相关跨膜衔接蛋白1Trat1和α激酶1Alpk1均参与免疫功能。为了更好地理解基因表达差异我们将表达谱映射到KEGG数据库通路中使用fGSEA R包校正后p值 0.05。通路分析显示FMT组富集的14条KEGG通路中有10条与免疫相关包括“致病性大肠杆菌感染”“细胞因子-细胞因子受体信号传导”“趋化因子信号传导”“RIG-I样受体信号传导”“Toll样受体信号传导”和“NOD样受体信号传导”。相反JMT组富集的主要通路与代谢相关包括“PPAR信号传导”“氧化磷酸化”“脂肪酸代谢”“不饱和脂肪酸合成”“支链氨基酸降解”和“亚油酸代谢”图4E。移植后3个月仍能检测到转录变化图S5且在无菌GF小鼠中也观察到了类似变化图4F数据S1这表明肝脏转录组的改变具有持久性且是微生物移植的直接效应。鉴于对肝脏代谢通路存在影响我们利用代谢笼对这些小鼠的能量平衡进行了研究并评估了其摄食行为、活动量、能量消耗及营养利用情况采用Sable Systems公司的Promethion系统。1个月后空肠菌群移植JMT组小鼠体重最重、体重增量最大且能量消耗最低图4G、4H和4K方差分析p 0.05活动量也最低图4J方差分析p 0.05。粪菌移植FMT组小鼠的食物摄入量在所有组中最低但与JMT组相比能量消耗水平更高图4I方差分析p 0.05。有趣的是从活动量、食物摄入量、体重维持及体重变化、能量消耗等指标来看盲肠菌群移植CMT组小鼠的代谢最为活跃图4G-4K与CMT组的所有比较均采用方差分析p 0.05。CMT组小鼠的呼吸交换率RER较低这表明其脂质氧化增强与能量消耗增加及以脂肪作为能量来源的利用方式一致图4L方差分析p 0.05。此外通过对细菌宏基因组鸟枪法测序数据与肝脏RNA测序数据的跨组学分析我们确定了可能加剧JMT与FMT所致肝脏转录变化的潜在菌株图S3L。我们重构了87个高质量的宏基因组组装基因组MAGs并进行功能富集分析以识别在JMT组或FMT组中含富集功能的差异丰度MAGs。利用稀疏峰值关联关系相关计算SPARCC将MAG丰度变化与肝脏转录变化进行比较并将这两项分析结果分别绘制在x轴和y轴上以识别与肝脏转录组上调或下调相关的特定菌株图S3M。我们发现有5组基因与特定细菌基因组相关。例如与线粒体降解和过氧化物酶体增殖物激活受体αPPARA相关的第2组基因与FMT组富集的拟杆菌属_03Bacteroides_03和穆里巴库鲁姆菌属_02Muribaculum_02基因组呈负相关而与线粒体和呼吸通路相关的第1组基因则与FMT特异性基因组脱硫弧菌属_01Desulfovibrio_01和拟杆菌属_02Bacteroides_02相关完整的MAG特征及基因关联详见表S1。综上所述这些数据凸显了小肠菌群SBM和大肠菌群LBM在与生态系统错配时对宿主产生的双重影响特别是它们分别对代谢调节和免疫调节产生的不同作用以及同时重建小肠菌群和大肠菌群可能带来的潜在益处。图4.菌群移植会驱动不同的肝脏转录程序这种程序不仅具有持久性还会改变能量平衡A菌群移植后1个月肝组织的RNA测序分析。通过DESeq2分析计数来呈现肝脏转录组的相对差异并以主成分分析可视化按移植类型着色。磷酸盐缓冲液PBS组灰色空肠菌群移植JMT组粉色盲肠菌群移植CMT组橙色粪菌移植FMT组淡紫色主成分分析PC1贡献率16.57%PC2贡献率11%PERMANOVA检验∗p 0.001空肠菌群移植组vs.粪菌移植组。B-D空肠菌群移植组与粪菌移植组、盲肠菌群移植组与粪菌移植组、空肠菌群移植组与盲肠菌群移植组之间差异表达基因的火山图。E京都基因与基因组百科全书KEGG通路分析展示差异富集的代谢通路蓝色、免疫通路红色及其他通路黑色使用fGSEA R包。F无菌GF小鼠与无特定病原体SPF小鼠中差异富集通路的比较。G-J利用Sable Systems Promethion呼吸测量系统进行的能量平衡评估显示空肠菌群移植组与粪菌移植组小鼠在体重、体重增长、食物摄入和活动量方面存在差异方差分析∗p 0.05。K和L相对于磷酸盐缓冲液组所有移植组在能量消耗和营养利用方面均存在差异方差分析∗p 0.05数据为76小时记录轨迹。所有误差线均表示±标准差SD。小肠菌群和大肠菌群会改变非原生的肠道区域生态系统使其更有利于自身的定植和存活显然移植原生微生物与非原生微生物会使微生物群的组成和功能发生显著变化进而影响宿主代谢及远端器官如肝脏。因此我们认为有必要明确肠道区域生态系统对原生与非原生微生物存在的应答机制并对空肠和结肠黏膜进行了RNA测序RNA-seq。结肠和空肠转录组的主成分分析PCA显示主成分1PC1可解释87%的变异凸显了基因表达的巨大差异图5A。与代谢组和肝脏的特征相似我们发现粪菌移植FMT组与磷酸盐缓冲液PBS组的肠道特征非常相似这是由于在有食粪行为的动物中大肠微生物会反复接种。我们注意到FMT组小鼠空肠的PC1差异小于结肠样本表明其与结肠组织存在一定相似性约20%。为进一步探究这一现象我们检测了空肠和结肠标记基因的表达。与FMT组和PBS对照组相比空肠菌群移植JMT组小鼠的空肠黏膜中富集了空肠特异性基因方差分析p 0.05图5B。这些基因包括空肠特性的核心转录调控因子——Gata4和Gata6G-A-T-A结合蛋白脂质结合与转运基因如载脂蛋白Apoa1、Apoa4以及分化簇36/脂肪酸转运蛋白Cd36/Fat还有糖转运蛋白/溶质载体家族成员Slc2a2、Slc2a5和Slc5a1。JMT组大多数糖转运蛋白的表达水平更高见数据S1。在结肠中FMT组的结肠特异性基因表达水平更高包括驱动结肠特性的Satb2钙激活氯离子通道调节因子1Clca1、碳酸酐酶1Car1、淋巴细胞抗原6家族成员GLy6g和桥粒芯糖蛋白2Dsg2结肠特异性水转运蛋白水通道蛋白8Aqp8以及短链脂肪酸转运蛋白Slc16a3和Slc5a8方差分析p 0.05图5C。有趣的是FMT后空肠中通常表达的抗菌肽富集包括α防御素3Defa3、溶菌酶Lyz1、Lyz2和基质金属蛋白酶Mmp7且这与Paneth细胞发育相关基因——Erb-B2受体酪氨酸激酶3Erbb3和atonal同源基因1Atoh1的变化一致见数据S1。这些数据表明错配的非原生微生物可以重新编程组织特性增强有利于其适应和定植的基因表达。这也解释了为何单次粪菌移植FMT后3个月空肠中仍持续存在厌氧菌。为了量化空肠菌群移植JMT和粪菌移植对空肠和结肠区域生态系统的改变程度我们分析了健康、未接受抗生素处理的C57Bl6小鼠空肠和结肠黏膜刮取物的RNA测序数据并筛选出排名前1000的差异表达基因图5D和5E校正后p值0.05log2倍变化2。基于这些基因我们构建了“空肠特征”和“结肠特征”基因集用于对移植后肠道组织进行富集分析。结果发现在空肠中JMT使空肠特征基因集富集标准化富集得分[NES]2.48校正后p值2.75e−22而FMT则增强了结肠特征基因集的富集NES1.54校正后p值2.83e−3图5F。结肠中也观察到类似模式JMT使空肠特征基因集富集NES1.52校正后p值8.49e−5FMT则增强了结肠特征基因集的富集NES2.48校正后p值3.35e−16图5G。其中JMT对空肠中“空肠特征”的驱动作用更强FMT对结肠中“结肠特征”的驱动作用更显著校正后p值分别为e−22和e−16。对这些基因的可视化分析证实JMT后空肠相关程序增强FMT后结肠相关程序增强。鉴于GATA4在调控小肠特性中的作用以及SATB2在调控结肠特性中的作用我们通过蛋白质印迹WB和免疫组织化学IHC技术检测了移植后1个月这两种转录调控因子的蛋白水平是否在JMT或FMT后升高图S6。蛋白质印迹结果显示与磷酸盐缓冲液PBS对照组相比JMT使空肠中GATA4蛋白水平升高p0.01FMT使结肠中SATB2水平升高p0.01图S6。有趣的是免疫组织化学结果显示部分空肠隐窝细胞表达SATB2而结肠隐窝中GATA4水平升高这表明肠道区域特性可能向改变后的方向发展从而为微生物在非原生环境中的定植创造更有利条件。这些数据表明微生物群会增强其原生环境的区域生态系统JMT增强空肠生态系统FMT增强结肠生态系统并抑制非原生区域生态系统使其更符合自身原生环境的特征。图5.小肠和大肠微生物群会将其所在的区域生态系统调节为更接近原生的环境A菌群移植后1个月肠道黏膜组织的RNA测序分析。结肠和空肠组织的主成分分析PCA显示粪菌移植FMT组空肠组织的特征向结肠样本偏移空肠菌群移植JMT组粉色FMT组淡紫色磷酸盐缓冲液PBS组灰色。B和C空肠中空肠标记基因的表达以及结肠中结肠标记基因的表达以每百万转录本TPM表示方差分析事后Tukey检验∗p 0.05。D和E健康、未接受抗生素处理的C57Bl6小鼠空肠和结肠转录组的主成分分析PCA并使用排名前1000的差异表达基因log2倍变化2校正后p值0.05构建空肠和结肠基因集。F空肠组织的通路分析显示空肠菌群移植后空肠特征富集标准化富集得分[NES]2.48∗校正后p值2.75e−22而粪菌移植后结肠中结肠特征富集NES1.54∗校正后p值2.84e−3。G结肠组织的通路分析显示空肠菌群移植后空肠特征富集NES1.52∗校正后p值8.48e−5而粪菌移植后结肠中结肠特征富集NES2.48∗校正后p值3.35e−16。所有误差线均表示±标准差SD。人类粪菌移植也会导致结肠厌氧菌在上段小肠中持续存在并会重新编程区域生态系统使其更有利于自身的定植小鼠模型是宝贵的研究工具但当然无法完全重现人类生物学的所有方面。因此我们研究了从小鼠研究中得出的结论是否能在人体组织中得到类似观察。为此我们采用两种方法来探究小肠SB与大肠LB微生物对人体组织的影响1用空肠菌群移植JMT和粪菌移植FMT的无细胞成分处理从空肠活检样本培养的原代人空肠类器官肠类器官2分析接受粪菌移植的患者在移植前和移植后1个月的十二指肠活检样本。将体外培养的原代人空肠活检样本n8名受试者分别用10%的无细胞制剂处理——该制剂来自单一空肠造口术供体的人空肠内容物或粪便匀浆分别模拟空肠菌群移植和粪菌移植图6A。提取纯化的RNA进行RNA测序并将每种处理与其自身的载体对照组VEH进行比较。尽管我们并未观察到体内模型中所有标记特性转换的基因特征——且在人类中这些基因并非严格意义上的空肠特异性基因如嗅觉素[OLFM4]、脂肪酸结合蛋白6[FABP6]、载脂蛋白A4[APOA4]和肠碱性磷酸酶[APLI]或结肠特异性基因如SATB2、尾型同源盒2[CDX2]、碳酸酐酶1[CA1]和乳过氧化物酶[LPO]——但在空肠菌群移植和粪菌移植处理后24小时内分别检测到与小鼠模型中相似的特性信号增强这表明微生物介导的空肠与结肠之间的特性转换并非即时发生图6B方差分析∗p 0.05。通路分析显示空肠菌群移植处理的肠类器官中脂质吸收、转运、生物合成和储存通路以及碳水化合物生物合成和利用通路均富集图6C数据S1。然而粪菌移植处理的肠类器官中与脂质和碳水化合物代谢相关的通路表达下调。重要的是“脂质生物合成通路”在空肠菌群移植处理的肠类器官中富集而在粪菌移植处理的肠类器官中下调图6C这体现了小肠微生物群增强脂质、碳水化合物及其他代谢过程的能力。尽管还需要进一步研究来评估对特定人类特性标志物的影响但这些数据证实了我们从体内小鼠模型中得出的结论。为进一步验证这些研究结果的可转化性我们重新分析了图1中的粪菌移植FMT受试者队列并对其组织进行了RNA测序移植前n7移植后n7。十二指肠转录组分析显示移植前与移植后样本之间无统计学差异图6DPERMANOVA检验p 0.05。然而我们发现十二指肠转录组的变化与厌氧菌定植水平的升高相关这表明个体间的应答差异取决于FMT的定植情况Spearman相关系数R 0.73双尾p 0.009图6E。我们观察到SATB2表达增加Student’s t检验∗p 0.39且183个上调的结肠基因呈现出富集的结肠特征标准化富集得分[NES] 1.52校正后p值 3.1e−4图6F-6H。通路分析显示十二指肠内耗氧过程增强包括线粒体表达、氧化磷酸化和有氧呼吸图6INES 2校正后p值 0.05。小肠内耗氧量的增加可能会降低管腔氧水平形成更厌氧的环境从而有利于厌氧菌定植。综上所述这些数据验证了我们的小鼠研究结果证实微生物能够改变黏膜生态系统使其符合自身原生环境的特征且这些过程也可能在人类中发生。图6.人体组织呈现出代谢和区域生态系统的变化A将原代人空肠活检样本进行体外培养以生成空肠肠类器官用人类空肠菌群移植JMT取自空肠造口袋或粪菌移植FMT取自升结肠灌洗液的无细胞制剂处理24小时后提取RNA并进行测序。B粪菌移植使结肠标记基因SATB2、CDX2、CA1和LPO富集空肠菌群移植使空肠标记基因OLFM4、FABP4、APOA4和ALPI富集以每百万转录本TPM表示方差分析事后Tukey检验∗p 0.05。C基因本体论GO通路“脂质生物合成过程”的基因富集排名列表。D通过上消化道内镜进行人类粪菌移植将其送达十二指肠末端n 7名受试者。在粪菌移植前及移植后4周的随访内镜检查中采集人十二指肠活检样本进行RNA测序和16S rRNA测序。十二指肠转录组的主成分分析PCA显示粪菌移植前后无显著变化PERMANOVA检验Mann-Whitney检验p 0.05。E粪菌移植后定植于十二指肠黏膜的厌氧菌相对丰度增加且与十二指肠转录组的变化相关Spearman相关系数r -0.73∗p 0.009。F粪菌移植前后十二指肠活检样本中Satb2的表达以每百万转录本TPM表示双尾t检验∗p 0.05。G和H结肠特征基因集的富集分析显示粪菌移植后该基因集富集标准化富集得分[NES] 1.52校正后p值 3.1e−4共183个结肠基因富集。I基因本体论通路分析表明粪菌移植后线粒体通路、氧化磷酸化通路和有氧呼吸通路富集fGSEAGO通路∗校正后p值 0.05NES 2。所有误差线均表示±标准差SD。作者简介Orlando DeLeon(第一作者)Orlando DeLeon是Eugene B. Chang教授实验室的博士后他们正在积极探索粪菌移植FMT技术即通过移植健康捐赠者的粪便来治疗多种与肠道菌群相关的疾病如炎症性肠病IBD。粪菌移植的内容物主要包含大肠中的细菌而这些细菌在小肠中并不常见。因此来自大肠的粪便移植无法恢复小肠的功能反之亦然。这种微生物的不匹配还会导致行为和代谢方面的改变。令人担忧的是他们在小鼠身上发现的这些变化在接受粪菌移植的人类身上也同样出现了。目前他们需要弄清楚肠道中哪些特定细胞发生了变化以及如何进行干预。Mora Mocanu(第一作者)Mora Mocanu博士在昆士兰大学医学院获得医学学位在迈阿密的杰克逊纪念医院完成儿科住院医师培训在芝加哥的科默儿童医院完成儿科胃肠病学专科培训是伊利诺伊州温菲尔德的一名儿科医生隶属于芝加哥Ann Robert H. Lurie儿童医院。Eugene B. Chang(通讯作者)张教授及其团队专注于研究肠道微生物及其与宿主的相互作用这种关系对人类健康至关重要一旦被破坏可能产生严重后果。张博士的工作探讨了过去一个世纪的环境和生活方式变化如何改变了人类微生物组导致了糖尿病、肥胖、代谢综合征、癌症和自身免疫性疾病等“新时代”疾病的兴起。在遗传易感个体中这些转变会破坏免疫和代谢稳态从而可能引发疾病的发作。张教授的实验室致力于了解影响肠道微生物群落选择和组装的因素目标是利用这些知识重塑肠道微生物组以预防和治疗疾病。该团队采用尖端方法包括培养依赖性和独立性微生物分析、转基因和认知生物小鼠模型、代谢和功能分析以及先进的生物信息学来研究宿主和微生物组。研究和学术兴趣微生物组、炎症、粘膜免疫、炎症性肠病、新陈代谢。Martinez-Guryn(通讯作者)Martinez-Guryn博士同时也是一名注册营养师她于2011年在北卡罗来纳大学格林斯伯勒分校UNCG获得博士学位。次年她在UNCG完成了营养学实习并于2012年底加入芝加哥大学医学系胃肠病学、肝病学和营养科的Eugene Chang博士实验室进行博士后培训。2017年8月Martinez-Guryn博士加入中西部大学生物医学科学项目担任助理教授。宏基因组推荐9月12-14日高级转录组分析和R语言数据可视化10月18-19日微生物组-扩增子16S分析11月15-16日微生物组-宏基因组分析本公众号现全面开放投稿希望文章作者讲出自己的科研故事分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编微信号yongxinliu 或 meta-genomicsiMeta高引 fastp PhyloSuite ImageGP2 iNAP2 ggClusterNet2iMeta工具 SangerBox2 美吉2024 OmicStudio Wekemo OmicShareiMeta综述 高脂饮食菌群 发酵中药 口腔菌群 微塑料 癌症 宿主代谢10000扩增子EasyAmplicon 比较基因组JCVI 序列分析SeqKit2 维恩图EVenniMetaOmics高引 猪微生物组 16S扩增子综述 易扩增子(EasyAmplicon)系列教程微生物组入门 Biostar 微生物组 宏基因组专业技能学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人点击阅读原文