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[昊阅读]婴儿双歧杆菌群落和双歧杆菌噬菌体的母系遗传通过垂直传播
英文题目:Maternal inheritance of bifidobacterial communities and bifidophages in infants through vertical transmission
中文题目:婴儿双歧杆菌群落和双歧杆菌噬菌体的母系遗传通过垂直传播
期刊名:Microbiome       发表时间: 2017.7           影响因子: 8.496
单位:帕尔马大学化学、生命科学和环境可持续发展学院
样本信息:25对母婴:在分娩期间或分娩即刻后采集母亲粪便样本;在出生后7天和 1个月采集婴儿粪便样本;在出生后7天和 1个月采集每个母亲10毫升母乳样本。
筛选标准:母亲年龄为18岁-40岁;没有服用任何益生菌或抗生素;所有受试者自我报告健康;
技术:
        扩增子测序(引物为Probio_bif_uni/Probio_bif_rev);
        qPCR检测双歧杆菌数量(引物为Probio_bif_uni/Probio_bif_rev),qPCR检测所有细菌数量(引物为Probio_uni/Probio_rev);
        菌株分离培养和菌株全基因组denovo测序;
        生长抑制实验
        宏基因组测序
测序平台:Illumina MiSeq测序平台
研究结果:
婴儿肠道内的双歧杆菌组成分析
        OTU分析表明婴儿肠道中双歧杆菌物种主要是长双歧杆菌,短双歧杆菌,两岐双岐杆菌,双歧杆菌长亚种(婴儿),青春双歧杆菌,假链状双歧杆菌。因此与目前对婴儿肠道双歧杆菌群落组成成分了解不同,不仅包括典型的婴儿肠道双歧杆菌物种,还包括一些成人相关的双歧杆菌类群,例如青春双歧杆菌。
使用qPCR评估双歧杆菌对婴儿肠道微结构的影响(双歧杆菌对婴儿肠道微结构的影响=双歧杆菌基因拷贝数/细菌基因拷贝数),发现双歧杆菌占整体婴儿肠道微生物群的0.05-96.44%(平均为36.54%),表明双歧杆菌是婴儿肠道环境中的优势菌属。

 
图1. 婴儿粪便中双歧杆菌群落分析。热图表示的是双歧杆菌相对丰度,条形图显示双歧杆菌相对其他细菌的百分比。
 
母亲和孩子之间共享的OTU
        为了探讨母亲和孩子之间是否共享双歧杆菌,比较了婴儿的双歧杆菌群落和母亲的粪便样本菌群(获得自分娩期间或分娩后不久)以及母乳菌群(出生后7天和 1个月采集)。结果发现在婴儿粪便中存在的双歧杆菌在母亲相应的粪便和牛奶样品中也被发现。

 
图2. 母婴样本(粪便、母乳)中双歧杆菌群落分析。热图表示的是双歧杆菌相对丰度。左侧是所有已知的和新的双歧杆菌物种。
 
母婴共享的双歧杆菌菌株分离培养与基因组测序
        为了验证母婴共享的看似相同的双歧杆菌是否是母亲对新生儿垂直传播的结果,针对25个婴儿和母亲粪便样本,以及母乳样本,用选择性培养基分离得到了14株双歧杆菌,通过基因组denovo测序获得这些菌株的基因组序列。为了确定这些菌株在相应母亲粪便样本存在,进行了比较基因组分析,最终证实婴儿粪便中的双歧杆菌菌株是通过母婴垂直传播途径获得的。

 
表1. 垂直传播的双歧杆菌菌株全基因组特征
 
婴儿肠道早期双歧杆菌的遗传适应
        母亲对孩子的细菌传输可能通过母乳摄入进行的,这种流体不仅是微生物的传播介质也为婴儿肠道最初的细菌定植提供养分。母乳一个聚糖的丰富来源,包括乳糖和人乳低聚糖,是双歧杆菌重要的能量来源。然而,并非所有的双歧杆菌都具有遗传特性,从而能利用这些母乳衍生的聚糖。为了确定基因组是否参与利用人乳低聚糖,乳糖,和/或人乳低聚糖衍生的碳水化合物,我们对本研究中解码的所有基因组进行了比较基因组分析。结果发现6个双歧杆菌菌株具有多种基因,从而使它们能够利用各种人乳低聚糖和人乳低聚糖衍生的聚糖,与之相反的是,这些基因在双歧杆菌1892b和齿双歧杆菌1893b中是不存在的。此外,岩藻糖苷酶和唾液酸酶的编码基因在长双歧杆菌的基因组中是缺失的(图4a)。通过双歧杆菌分离菌株的生长抑制实验也进一步证明上述分析的正确性(图4b)。

 
图4. 垂直传播的双歧杆菌菌株对母乳低聚糖的降解能力。a. 热图表示编码降解乳寡糖基因的存在与否,红黑格子分别代表基因的存在和缺失。b. 人乳低聚糖衍生碳水化合物的生长图谱。黑颜色表明最终的OD值为<0.3,黄色表示最终OD值0.3~0.5,浅绿色表示最终OD值介于0.5~0.8,绿色表示最终OD值>0.8。横坐标代表不同碳水化合物。
 
母亲到孩子的噬菌体传播
        在生命的早期阶段噬菌体也可以从母亲传递到儿童,因此进行了粪便样本和母乳样本的宏基因组测序,然后在宏基因组数据中检索已知的能感染本文确定能垂直传播的双歧杆菌的噬菌体序列。通过筛选,在9个样本中鉴定到21个具有整合或环状基因组结构的双歧杆菌噬菌体(表3)。

 
 
表3. 在宏基因组数据中鉴定到的双歧杆菌噬菌体
 
        针对每个双歧杆菌噬菌体序列设计两对引物,一对引物只针对噬菌体的独特序列,另一对引物则在congtig的边界,从而能够确定噬菌体是环状还是整合到宿主染色体上,结果表明,婴儿粪便和对应母乳中同时能扩增出一个相同噬菌体片段(图5a,b),表明噬菌体可以由母乳喂养垂直传播给下一代,同时第二对引物不能扩增出片段则表明有的噬菌体已经整合到双歧杆菌染色体上,从而限制了双歧杆菌的过度生长(图5a)。

 
图5. 噬菌体由母亲到孩子的垂直传播。图顶部显示的是长双歧杆菌噬菌体10029和10035的基因组图谱,图底显示通过PCR证明噬菌体在母亲和婴儿体内同时存在。
 
总结:
        本文通过对25对母婴进行双歧杆菌群落结构分析,同时结合菌株分离培养和基因组比较分析,最终确定双歧杆菌是母婴之间共享的。基因组分析与生长抑制实验结果表明,分离培养的双歧杆菌菌株能够遗传适应性地利用各种人乳低聚糖和人乳低聚糖衍生的聚糖。此外,确定特定双歧杆菌物种所对应的噬菌体在母亲及其婴儿的病毒基因组中是常见的。
 
亮点:
       这项研究突破性的运用双歧杆菌特定引物的扩增子测序、特定双歧杆菌菌株纯培养、基因组denovo测序、比较基因组分析、生长抑制实验等多种手段首次确定双歧杆菌是通过母亲传递给下一代儿童,这意味着人乳作为一种潜在的载体促进这一进程的转化,此外本文也首次发现双歧杆菌噬菌体是通过母系遗传。
 
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