在线闪购

当前位置:首页 > 南芯微生态 > 研究成果

《Cell Host & Microbe》:菌株分析揭示人类肠道在粪菌移植后决定细菌定植的因素

撰写时间:2018-04-03    来源:广东南芯医疗科技有限公司

导 读

近日,《Cell》旗下《CellHost & Microbe》杂志发表了一篇命名为“Strain Tracking Revealsthe Determinants of Bacterial Engraftment in the Human Gut Following Fecal Microbiota Transplantation”的文章,作者Eric J. Alm团队不仅使用随机森林的方法构建了可用于准确预测粪菌移植(FMT)后患者mg-OUT组成的模型,还开发了用来研究FMT后菌株的动态定植情况的Strain Finder软件。此项研究有助于更好理解FMT过程中微生物与疾病的关系及其作用机制。


研究思路

图1  文章研究思路及方法


研究结果

FMT患者中的肠道微生物种类与供体中显著不同,而术后两者微生物组成趋于相同

测序后的宏基因组数据与HMP数据库中的648个非荣誉参考基因组比对,进行物种注释,基于AMPHORA数据库中的31个单拷贝系统发育标记物,估计每个物种的丰度,以mg-OTUS作为这些物种的标志,共鉴定出305个物种(图2)。

FMT后与移植前相比,患者中的肠道微生物的种类显著升高(图2B)。移植前的微生物具为两类,分别为肠杆菌目和乳杆菌目为主;移植后则主要为拟杆菌目和梭菌目为主,这和供体中相同(图2G)。

图2  FMT后的宏基因组物种注释


预测菌群定植情况模型的构建

既然FMT后与移植前相比,患者中的肠道微生物的种类显著不同,这种不同可能和患者预后相关。能否预测在接受FMT后,患者肠道菌群组成会发生什么样的改变,以便及时制定适宜的治疗方案。

研究者们基于mg-OTUS的丰度进行聚类,进行FMT后的样本与对应的供体样本,移植前的样本都没有发生聚类(图3A,3B)。因此,可以推断FMT后的肠道菌群有可能是供体、患者和体内环境的所有微生物重组的群体。

虽然FMT后的肠道菌群不是供体与患者的肠道微生物的简单混合,但是基于临床数据和宏基因组的数据分析还是能够预测FMT后的肠道菌群组成。为了验证这个假设,基于供体和FMT前患者的临床数据、宏基因组物种丰度、系统发育和mg-OUT的基因组特征,使用随机森林进行模型构建,对FMT后的菌群组成进行预测,结果显示该模型预测的结果的精确度和特异度高(图3C,3D),FMT样本的数据与模型预测的结果有较好的聚类(图E)。

图3  预测菌群定植的模型构建


Strain Finder分析菌株水平的动态变化

来自不同样本而频率相同的SNP为同一菌株,研究者们开发了Strain Finder软件以推断宏基因组样本中菌株的基因型和频率。使用16个大肠杆菌模拟8个样本中16个宏基因组分布,菌株个数分布为4、8、12和16,测序深度为25x,100x,500x和1000x,结果发现StrainFinder对于菌株的鉴定由于Constrain(图4)。

图4  Strain Finder与Constrain模拟大肠杆菌菌株基因组排布


菌株水平的持续性和定植

基于菌株水平研究FMT后菌株的动态变化模型:当1个mg-OTU在受体中存在,供体中不存在,FMT后菌株在受体中能稳定存在;当1个mg-OTU在受体中不存在,供体中存在,FMT后受体中存在供体的菌株(图5A)。

FMT中供体菌株可直接移植给受体,检测菌株特异性时发现,FMT患者的菌株组成与其对应供体组成更相似;与患者相比较,移植后的菌株组成与移植前自身的菌株组成更相似(图5B)。这说明患者体内能与供体同时存在的菌株不是偶然的。

并且,FMT过程中在患者肠道定植的那一部分菌株是以全或无的方式,提示菌株间的紧密耦合不是一个菌株转移的现象,而是同一个种水平的菌株同时转移,表明种水平是菌株转移的单位(图5C)。

图5  FMT后供体菌株和未发现菌株的定植


文献链接:http://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(18)30038-6