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中国人不同地域、民族肠道菌群核心类群

时间:2020-06-05 09:02来源:本站 作者:bio149发布 浏览次数:

  人类的健康与其肠道菌群关联密切,若肠道菌群出现问题,则会增加患一系列代谢疾病的风险。我国作为世界人口第一大国,在各个地区、民族以及生活方式上都存在巨大差异,这直接影响了肠道菌群的不同。对不同健康年轻人群的肠道菌群结构进行分析,探究受地域、生活方式以及民族等影响下的肠道菌群差异,将有助于了解中国各个地区、民族人群肠道菌群的特点,而对肠道菌群的多样性以及功能性类群的研究,也将推动我国健康肠道事业的发展。

  试验方法

  试验详情

  1.试验对象

  对来自中国9个省份20个不同城乡地区7个民族的314名健康试验者(其中145名城市居民和169名农村居民)进行人群试验(图1)。这七个民族分别是:汉族(来自四个不同地区:中国哈尔滨、中国郑州、中国无锡和中国成都)、蒙古族(中国内蒙古)、哈萨克族(中国新疆)、维吾尔族(中国新疆)、藏族(中国西藏)、白族(中国云南)和壮族(中国广西)。

  2.分析检测

  在吃早餐前收集每个受试者的粪便样本,-80℃下液氮保存,24小时内在实验室内提取DNA样本并进行PCR扩增、DNA测序和一系列的统计分析。

  注:
  健康试验者需满足18-35岁之间;体重指数正常;三代以上的原著民;试验前三个月未发生胃肠道疾病,未进行抗生素治疗等。



 
图1: 314名试验者的分布详情

  试验详情

  ①肠道菌群的多样性

  通过对314名试验者粪便样本中的细菌和古细菌的16S rRNA的V5-V6区域进行测序,共测得5102015个高质量序列(中位数13361个序列,范围从5992-96710个)。以97%为序列同一性阈值,共鉴定出36918个OTU(中位数为1821个OTU,范围从555-7724个)。尽管没有具体的OUT水平稀疏曲线和测序深度分析,但香农多样性指数达到稳定,这表明采集的序列已经捕获了绝大多数的微生物多样性。

  厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门是构成样本肠道菌群的四个最主要的门(分别占73.47%、14.13%、5.83%和3.36%),同时还发现了宽叶菌门(2.62%)。厚壁菌门和拟杆菌门是中国健康人群肠道的重要组成部分,但个体间各种细菌的含量却存在巨大差异。16个最丰富的属中,有11个是厚壁菌门。

  对于古细菌,我们在样本中发现了甲烷杆菌和甲烷磷菌,两个属的丰度在个体之间差异很大(甲烷杆菌0-39.10%;甲烷磷菌0-17.72%),且在不同群体之间也有很大差异,农村个体中较为丰富。

  为了更好的了解地域和种族对肠道菌群结构的影响,我们引入了CAP排序分析,成功的预测了223个个体,交叉验证的正确分类率(CCR)为71.02%。与原始的UniFrac图(图2a)相比,canonical图(图2b)显示出了不同种族间的种族分离,其中藏族和其他种族群体完全分开,构成了最高CCR(86.05%)的“外部群体”;蒙古族和壮族之间也相距甚远(CCR分别为77.08%和71.74%)。白族和汉族之间存在部分重叠(图2b)。哈萨克族和维吾尔族人群虽然生活环境相似,种族起源也相似(土耳其裔),但彼此之间有明显区别(CCR为22.73%和42.86%)。对于汉族人群,肠道菌群在4个地理区域内有明显隔离(P=0.0001),但例如性别等并非显著因素(P=0.0531)。



 
图2: 中国健康年轻人群肠道菌群具有明显的种族相关结构隔离。a为未加权的UniFrac PCoA分析;b为CAP排序分析

  表1中体现的是城乡人群的肠道菌群结构在不同地理区域和种族之间的差异。蒙古族人群在香农指数有关生活方式的相关差异最大;PERMANOVA有关生活方式差异的分析也同样显示,蒙古族和壮族人群影响最大,其次是居住在中国哈尔滨和中国郑州的汉族人群,而藏族人群的影响则最小(表1)。

  与此同时,城乡个体之间也区分了很多属。例如,拟杆菌属、木聚糖杆菌属在农村个体中普遍富集,同时发现乳酸杆菌属、甲烷杆菌属和甲烷磷菌属在蒙古族农村个体中的占比比城市个体要高。
表1. 城乡人群肠道微生物群结构的CAP和PERMANOVA 统计

  ②肠道菌群共享的系统发育核心

  对每个个体肠道菌群的属以及OTU级别的系统发育类型进行测试,发现有9个主要属构成了属水平的系统发育核心类群,占总序列的47.63%(图3a)。除了拟杆菌门,其余所有属均为厚壁菌门;除了粪球菌外,其余在肠道菌群中占比超过1%的类群在至少75%的试验者中存在,核心类群在50.96%的试验者中占据了绝对优势(丰度大于50%;图3b)。每个试验组群都显示出显著的差异(图3c)。
图3: 9个主要属构成的核心肠道菌群。a为每个属占总数的比例,b为9个主要属的丰度,c为20个群体的丰度差异

  Spearman相关性检验确定了9个核心属之间的共生模式(图4),除了梭状芽孢杆菌与Phasco-larctobacterium以外,其他8个核心属彼此呈正相关。
图4: Spearman相关性检验9个核心属共生关系

  然而,这9个核心属在种族间也存在物种隔离,经过未加权的UniFrac距离分析发现,蒙古族、藏族和壮族是三个最有特色的民族(图5a)。经过CAP排序分析也是一样的结果(图5b),藏族与其他民族完全分开,与之前进行的所有菌属多样性分析的差异一致。


 
图5: 9个核心菌属的在物种水平上的结构隔离。a为未加权的UniFrac PCoA分析;b为CAP排序分析

  这9个属分别是考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)、罗斯氏菌(Roseburia)、拟杆菌属(Bacteroides)、布劳特氏菌属(Blautia)、粪杆菌属(Faecalibacterium)、梭菌属(Clostridium)、Subdoligranulum、瘤胃球菌属(Ruminococcus)和粪球菌属(Coprococcus)。他们在人体肠道内具有发酵产生短链脂肪酸(SCFAs)的能力,而SCFAs被普遍认为对维持人体健康起重要作用,可以充当肠道上皮细胞吸收特殊营养,保护肠道粘膜,降低人体炎症反应等。这9种菌的广泛存在,也预示着他们在维持人体健康上具有重要的作用,是潜在的有益生态系统提供者。但这9个属在不同种族间仍具有明显的隔离。

  试验结论

  不同地域、不同民族以及城乡不同的生活方式差异,均对中国健康年轻人群的肠道菌群总体结构具有显著影响,以不同民族和不同地域对肠道菌群的影响最大,其中蒙古族和藏族人群形成了独特的肠道菌群结构。而城乡不同的的生活方式对肠道菌群结构影响较小。

  通过对我国多民族、多地区的年轻人群肠道菌群结构进行统计分析,发现了9个共享核心属,即“肠道菌群的功能性核心类群”。这9个属的细菌可以发酵产生短链脂肪酸(SCFAs),对人体的健康有益。这也体现了我国人群肠道菌群的独特特征,为今后长期专注于肠道菌群与代谢疾病的研究等提供帮助。





 
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