对岩藻糖基乳糖利用的关键遗传因子影响肠道微生物的发展

  摘要

  当前的研究表明肠道微生物的发育会影响婴儿的健康及随后宿主的生理机能。然而影响微生物发育的因素目前尚未得知，同时这些因素是如何影响肠道微生物组成的机制也没有大量的研究报道。本文分析了一个月大小的27个婴儿的肠道微生物的发育，发现了三个明显的以双歧杆菌科为优势微生物的集群，并发现婴儿的双歧杆菌对母乳的寡糖的利用是明显不同的。利用岩藻糖基乳糖的双歧杆菌的定植是和变化的代谢物及微生物组分是有关的，这些微生物明显表现出对婴儿的健康有影响作用。婴儿的双歧杆菌基因组分析表明一种ABC转运蛋白是对岩藻糖基乳糖的利用一个关键的遗传因子。因此双歧杆菌对岩藻糖基乳糖利用的能力和母乳中的岩藻糖基乳糖可能影响婴儿的肠道微生物的发育，最终产生一种有益微生物的作用。

  材料方法

  来自婴儿的217份粪便和22份父母的粪便。

  DNA提取：20mg/样品。SDS法（100mM Tris-HCl, pH 9.0, 40 mM EDTA ,1%SDS;）。

  16SrRNA测序：V1-V2（454测序平台）。

  OUT聚类：USEARCH（97%序列相似度）。

  双歧杆菌基因组测序：29个菌株（Illumina MiSeq PE250bp）；序列组装：ABySS 1.3.5；最佳k-mer大小选择：VelvetK 。

  CDS预测：Glimmer 3.02（>500bp）。CDS功能预测：BLASTP searches (version 2.2.24)/KEGGdatabase。

  多位点序列分型分析（MLST）：是一种基于核酸序列测定的细菌分型方法。这种方法通过PCR扩增多个管家基因内部片段并测定其序列,分析菌株的变异。（16S rRNA,clpC, fusA, groEL, gyrB1, purF ,xfp）

  研究结果

  1、早期肠道微生物的发展

  婴儿出生后不同时间细菌丰度、α多样性、细菌数目的变化。A-L表示12个不同婴儿。

  a，12个婴儿在出生后不同时间，微生物科水平分类的丰度。

  b，婴儿肠道微生物主坐标分析（PCoA）及围绕中心点的划分（PAM）。c，最主要3种微生物的丰度。d，12个婴儿在出生后3种主要微生物主要积累的不同时间。NT：没有检测；—：没提供样品。

  a，27个新出生1个月婴儿和22个成年人微生物聚类分析。

  2、出生一个月后婴儿肠道微生物

  b，27个新出生1个月婴儿和22个成年人微生物主坐标分析（PCoA）及围绕中心点的划分（PAM）。c，最主要3种微生物的丰度。

  d，27个新出生1个月婴儿和22个成年人最主要微生物丰度及微生物间共同出现的相关性。

  3、 微生物家系及肠道环境

  a，  微生物科水平和肠道环境指标相关性统计（PH，有机酸浓度，粪便寡糖浓度）

  b，B、E两个群中，母乳寡糖和醋酸盐以及PH之间的相关性。

  c，不同婴儿三种科水平代表性微生物相对丰度，粪便中寡糖的浓度，双歧杆菌不同种的相对丰度。d，29个双歧杆菌菌株在包含母乳寡糖的培养基中的生长曲线。e，29个双歧杆菌菌株在培养40小时后，不同寡糖的浓度。OD600：用来估计细菌生长情况。注：OD600：0.6-0.8表示细菌处于生长旺盛阶段。OD600>3表示已经饱和。

  4、双歧杆菌基因组和岩藻糖基乳糖的利用

  a，双歧杆菌不同菌株中预测的利用母乳寡糖的基因簇。

  b，双歧杆菌菌株BR-A29和对应的FL-SBP基因敲除的菌株在含有母乳寡糖培养基中的生长曲线。c，双歧杆菌菌株BR-A29和对应的FL-SBP基因敲除的菌株对不同寡糖的利用。（主要利用的是岩藻糖基乳糖）

  5、双歧杆菌对母乳寡糖的利用影响微生物生态系统

  B1：含有以利用岩藻糖基乳糖的双歧杆菌科为优势微生物的群落；B2：不含以利用岩藻糖基乳糖的双歧杆菌科为优势微生物的群落；E：以肠杆菌科为优势微生物的群落。

  结论亮点

  1、利用PCoA结合PAM分析得到3种丰度最高的微生物。并且发现双歧杆菌科中利用岩藻糖基乳糖的菌株对微生物组成有明显的影响。

  2、对29种双歧杆菌科菌株进行基因组测序，利用基因敲除的方法证实一种ABC转运蛋白（FL-SBP）是和岩藻糖基乳糖利用密切相关的。

  3、 双歧杆菌科菌株对母乳寡糖的利用还会造成微生物生态环境的变化。

  参考文献

  A key genetic factor for fucosyllactose utilization affects infant gut microbiota development [J].Nat Commun 2016 Jun 24;7:11939.IF=11.329