摘要：

低剂量的、不会杀死细胞的辐射处理会对病理学的临床表现造成强烈的影响，包括微生物和宿主基因表达的变化。尽管肠道微生物对维持人类身体健康的必要性已经广为人知，但是辐射对微生物群落的改变机理仍然了解的很少。

本研究将小鼠暴露在高LET（线性能量传输）辐射下，观察肠道微生物组分和功能的潜在变化。发现多种与酶的活性相关的代谢物丰度也发生了显著的变化。

分析结果表明在不同剂量的辐射下微生物和代谢物的组分会发生动态变化，这可能是由于不同辐射剂量对微生物生态与宿主细胞损伤修护过程中的信号互作的影响产生的结果。除了微生物的群落结构发生变化外，一系列和微生物特异酶促反应相关的通路活性也发生了变化，包括碳水化合物的消化和吸收以及脂多糖的生物合成等，而响应辐射剂量变化的如磷脂酰肌醇信号通路会影响特定生物学分类微生物的丰度。

材料和方法：

6个月大的雄性小鼠，16O (600 MeV/n)四种辐射剂量（空白对照、0.1、0.25、1Gy）处理（每种处理各10只小鼠）；

测序平台：Illumina HiSeq 2500，16S rRNA V4（F515/R806）；

微生物种类丰度、多样性分析：QIIME；α多样性分析：Faith’s phylogenetic diversity metric (PD)；β多样性分析：PCoA（非加权UniFrac距离）；16S rRNA测序样品的KO功能注释：PICRUSt；

小鼠粪便代谢组：UPLC-ESI-QTOF-MS；代谢物鉴定数据库：Metlin，HMDB（一级质谱）；mass tolerance thresholds：1-7.5ppm。（质荷比误差范围）；代谢网络互作图：内部脚本（通过计算所有微生物可能的得分）；

代谢物网络模型：依靠KEGG数据库中的不可逆酶活反应（KEGG REST API）

研究结果：

1、小鼠在不同剂量LET辐射下粪便中微生物的变化

图1

a.不同剂量辐射及不同的辐射时间小鼠肠道微生物的变化；（随着剂量的上升，微生物丰度在下降，辐射剂量达到0.25Gy时为最低值；时间较长的辐射对应微生物丰度也越低）

b.不同剂量辐射及不同的辐射时间小鼠肠道微生物群落的PCoA分析；（和空白对照相比在0.1和0.25Gy下的微生物群落结构差异较大，当达到1Gy时群落结构与空白对照相近）

c/d.不同剂量辐射及不同的辐射时间小鼠肠道科水平的微生物群落变化。

2、不同剂量辐射下微生物的动态变化

图2

a.在不同剂量和时间处理下微生物丰度变化的各种动态模型（时间和剂量对微生物丰度的影响存在复杂的互作关系）

b.在不同剂量和时间处理下微生物丰度变化的限制主坐标分析（基于距离的冗余分析），主要特点是提高对不同样品间丰度相似度很高的微生物的区分能力

c.受试者特征曲线分析（TP：真阳性率，FP：假阳性率，AUC：曲线下面积）

3、辐射对小鼠肠道微生物功能基因的影响

图3

a.不同时间和辐射剂量下功能基因的变化（FishTaco），圆圈大小和颜色代表通路活性的高低（红色>绿色）

b.预测的发生变化的功能基因是和特殊的微生物群落丰度相关的。

4、辐射对小鼠肠道微生物代谢物的影响

图4

a. 在不同剂量和时间处理下各种代谢物丰度变化的限制主坐标分析（基于距离的冗余分析），主要特点是提高对不同样品间丰度相似度很高的代谢物的区分能力；

b.不同条件下代谢物在HMDB（化学分类数据库）中的注释及丰度分析。

5、代谢网络模型及微生物-代谢组相关性分析

图5a

 a.代谢物和微生物之间的网络互作分析（共259种代谢物，265种微生物），圆圈大小：代谢微生物或代谢物的丰度，线宽：代谢物和微生物之间的相关性强度；

图5b

b.几种代谢物丰度（实际丰度：实心barplots，相对丰度：空心barplots），以及微生物群体和个体对应代谢物相对丰度的相关性分析。

研究亮点：

1、通过对小鼠在不同剂量的辐射和不同辐射时间的处理和对照之间进行比较分析，辐射对小鼠肠道微生物群落结构和代谢物组成造成的影响

2、对不同剂量和时间处理下微生物群落丰度变化进行各种动态模型的构建，并且利用敏感度更高的CAP（db-RDA）分析不同处理组间差异最大的微生物类型。结合ROC分析对微生物丰度分析进行准确性判断

3、对不同处理下微生物群落的功能基因和代谢物的变化进行注释分析

4、描述了微生物和代谢物之间的相关性（网络互作图），并利用代谢物的相对表达量（CMP值）对微生物个体与整个微生物群落对某种代谢物贡献的相关性进行了分析。