三观||城乡生活差异居然表现在居民的微生物组上!

近年来,我们看到越来越多的全球性人类肠道微生物群落的研究,从传统到城市化,不同的饮食和生活方式等研究为肠道微生物的进化提供了有效的数据支持,帮助我们更好的理解在人类历史变迁过程中,肠道微生物群落的改变。前期很多文献研究表明,在城市化过程中,肠道微生物的一些标志性改变:多样性降低,丧失具有纤维分解能力的物种,以及在饮食、环境、抗生素使用以及卫生习惯等等影响下肠道微生物群落出现的适应性改变。

然而之前多数研究集中在横向比较不同生活方式(地理位置)下成人肠道微生物结构的变异,缺少人其他时期的肠道微生物的特点,以及代谢组学方面的改变。

取样背景:
  • Bassa:
    1)传统尼日利亚食物
    2)生活水源Usuma河,未经过任何加热或其他处理
    3)医疗水平较原始,很少使用抗生素
    4)婴儿较早加入辅食
  • 4个城市:地理位置上接近Bassa,但是生活方式比较西式
    1)传统的尼日利亚食物和西化饮食项目的混合物
    2)较高的医疗和卫生水平,适当使用抗生素
    3)前三个月纯母乳,然后逐渐加入辅食

取样:Bassa 9个成人9个婴儿粪便样本
4个城市 12个婴儿18个成人粪便样本
Usuma河水样本
其他信息:收集有关饮食,卫生习惯和抗生素使用的信息

结果概述

Alpha diversity:按照地区分组,农村地区OTUs数目显著高于城市地区 ;Faith’s PD和Shannon无明显差异。


Beta diversity :PCoA图中农村和城市样本明显分离(p < 0.05, adonis )。基于未加权的Unifrac距离可以看出Bassa地区成人和婴儿之间的变异要低于城市地区的两者之间的比较;而基于加权的Unifrac距离,两个地区婴儿之间的变异要高于成人之间的变异

厚壁菌门和拟杆菌门占主要,但是比例变化差异显著:1.37-2.85; p = 3x10-3。

Firmicutes[医]硬壁菌门;
bacteroidetes 拟杆菌;
spirochaetes  [spɪərət‘ʃi:ts]   螺旋体,螺旋体在自然界中分布广泛,常见于水、土壤及腐败的有机物上,亦有的存在人体口腔或动物体内。
梭杆菌门(Fusobacteria);
Actinobacteria  放线菌

B:1)与前期非西方人口研究一致:在Bassa人口中Bulleidia, [Eubacterium](优杆菌属), Cetobacterium, Succinivibrio(琥珀酸弧菌属), and unclassified Peptostreptococcaceae ,用之前研究数据也说明Phascolarctobacterium and Treponema 在Bassa中丰度较高
2)城市人口中主要鉴别属是Blautia、粪球菌属、Lachnospira、Faelaby杆菌和SrimoSurrA等的山楂科和反刍球菌科的成员

C:Butyrivibrio丁酸弧菌属和Ruminobacter瘤胃杆菌在只Bassa中出现
Megamonas巨单胞菌只在城市人口中出现:Megamonas被列为厚壁菌门,碳水化合物利用能力更为有限,目前在城市化的肠道菌群中是包含的,有文献报告不同的种族中该物种的丰度也是不一样的。Megamonas在城市肠道微生物群中独特的存在有可能是城市化和西方生活方式潜在的标志。

4个CAG:

  • 1)Faecalibacterium CAG(黄色)显示了几种类似西方的短链脂肪酸(SCFA)生产者(包括产丁酸的Faecalibacterium和Coprococcus,以及产醋酸的Blautia,Bacteroides,Parabacteroides,Bifidobacterium 和Lachnospira)(Flint等,2015)在Bassa微生物群中不存在,无论年龄如何,表明支持研究群体肠道生态系统中SCFA生产的不同生态布局。

  • 2)Prevotella CAG(淡蓝色)在Bassa中代表性更强。并显示了BASSA特定的细菌丰度,比如 Prevotella and Succinivibrio ,其具有木聚糖和/或淀粉降解和琥珀酸生成能力,比如Phascolarctobacterium,一种利用解脲琥珀酸和丙酸产生菌,表明了交叉进食机制导致丙酸产生。

  • 3)从婴儿到成人过程中,人群间CAG和CAG内重排。特别是城市人口中,在短链脂肪酸产生菌和其他物种的比例改变,以及 Roseburia 产丁酸CAG(蓝色)代表性的增加,但在Bassa人口中Roseburia CAG代表性降低

  • 4)Duristister-CaG(粉红色)在Bassa婴儿到成人过程中发生重排,另外Prevotella CAG(淡蓝色)Turicibacter, Streptococcus, and [Eubacterium]比例增加

优势菌群是变形杆菌(37.13%)厚壁(15.11%)酸杆菌(13.54%)氯磷杆菌(5.26%)拟杆菌(5.04%)浮霉菌门(4.86%)放线菌(4.51%)
在丰度高于1%的属中,我们看到根人类肠道共生的物种,属于梭菌目以及毛螺菌科 和反刍球菌科的典型物种(Oscillospira颤螺菌属and Blautia布劳特氏菌属)

1)氨基酸代谢在婴儿中较低,Bassa成人主要代谢产物是丙氨酸,城市成人主要代谢产物是苯丙氨酸、酪氨酸和支链氨基酸(BCAAS;亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸)Bassa粪便中氨基酸及其衍生物较少,反映了其摄入的蛋白质较少

2)Bassa婴儿己糖含量比较大,Bassa农村的尤其是婴儿的肠道显示出比较健康的状况,其中己糖比例较高,氨基酸和生物胺含量更少。大量的己糖表明微生物菌群可获得较高含量的碳水化合物,而Bassa主要是食用植物块茎,谷物及其加工食品,以及各种叶类汤,这些食物含有微生物依赖的单糖,大量食用,超出肠道营养需求的话,就会排泄到粪便中,另一方面,与城市居民相比,
代谢组由于受样本量有限Bassa婴儿做了3个样本,成人是8个样本;城市的婴儿是8个样本,成人是15个样本


Bassa婴儿丙酸含量丰富,戊酸含量极低;
Bassa地区代谢组数据出现明显的年龄差异
城市地区婴儿与成人的代谢组数据无明显差异。

丙氨酸CAG(棕褐色),包括大部分氨基酸,只存在于成人粪便代谢组中,但与农村个体相比,在城市中更为明显。
己糖CAG(象牙),也包括几个甘油磷脂,一些酰基肉碱,以及大多数生物胺,更多地体现在婴儿代谢组,且农村比城市的更明显
苏氨酸CAG(紫色)在所有研究组中均有不同的表现,但在巴萨婴儿除外
城市婴儿和成人之间的代谢网络跟西方人口的基本一致,没有重叠
Bassa婴儿和成人之间代谢网络之间有重叠

来自不同生活方式的人群的全球数据进行物种和代谢水组数据比较,进一步探索肠道微生物组在不同地理起源和生活方式的群体中的变异。
选取之前的研究数据:狩猎采集社区(来自坦桑尼亚的哈扎),农业区(马拉维和委内瑞拉亚马孙州的农村),城市工业区(意大利和美国)
Bassa与其他传统生活农村人口之间的Bray-Curtis距离低于Bassa与城市群体之间的距离;城市尼日利亚人和其他群体之间的Bray-Curtis距离总体相似
巴萨人口与所有其他人口分离,而城市尼日利亚人与意大利城市居民重叠,同样富含苯丙氨酸和酪氨酸,尽管如此,尼日利亚城市居民仍然比意大利人更容易从甘油中摄取甘油酯-磷脂(尼日利亚人与意大利人,1.73%比0.60%),鞘脂类物质(0.23%比0.07%),酰基肉毒碱(0.50%比0.26%),Bassa和意大利人的比较也的出同样的结论。另一方面Bassa和H组比较,主要差异在氨基酸,生物胺和己糖的代谢上,但Bassa婴儿与H组更相似。

结论

相近的地理位置,不同的生活方式(传统农村生活和西式生活),饮食对于人群肠道微生物的结构改变起到主要作用,且在代谢组的数据上得到相关性的验证:
1)关于婴儿和成年人肠道微生物个体差异:农村地区较小,城市地区较高
2)关于农村地区和城市地区人肠道微生物组成会有显著差异,在生活方式的改变过程中,肠道菌群会发生适应性改变

  • 优点:
    1 立足点不同
    微生物菌群与代谢组联合分析
  • 缺点:
    样本取样量少
    取样信息不全(性别,年龄等信息无记录)

Infant and Adult Gut Microbiome and Metabolome in Rural Bassa and Urban Settlers from Nigeria
城市和农村人群机体的微生物组或存在一定差异
宏基因组复杂样品基因组的组装(无参考基因组)

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