肥胖人群肠道细菌多样性研究
时间：2020-07-10
来源：中国益生菌网
作者：徐海燕
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肥胖人群的健康已经成为当今社会关注的重要话题之一，有研究表明肥胖和肠道微生物的改变有关，同时发现肥胖人群的肠道菌群是严重失衡的。要知道肥胖同时可以诱发多种代谢疾病，哪些肠道细菌参与了疾病的发生尚不明确。与此同时，目前更多的研究依然停留在动物模型基础上，故本试验选取多名肥胖志愿者进行试验，进一步探究肥胖人群肠道细菌的多样性，为今后开发出相关益生菌产品提供科学依据。
试验设计 在中国内蒙古呼和浩特市选取14名年龄在40-60岁的肥胖志愿者，体质指数(BMI)为25.03-35.83kg/m2，他们长期以肉类等高脂饮食为主。
按照身体健康状况分为3组，其中H组为尚未患病的志愿者（5名），D组为近期患有胃肠道疾病的志愿者（5名），T组为患有高血糖、高血压、脂肪肝等慢性病史的志愿者（4名）。所有志愿者在试验前三个月均未服用任何抗生素或益生菌。14名肥胖志愿者的详情可见表1。
表1:试验对象的信息
采集每名志愿者的新鲜粪便样本，并进行DNA提取、16S rRNA基因全长扩增、PacBio SMRT测序等一系列生物信息学检测，得到肥胖人群肠道细菌的丰度、α多样性、相似性和差异性等信息。
试验结果
1.测序丰度评估和α多样性分析
我们从14个样品中得到了134453条高质量的16S rRNA基因序列，平均每个样本中9604条。共划分到28833个OTUs，平均每个样本中2438个。为了评估测序量是否满足后续分析，绘制了稀疏曲线和香农曲线（图1），结果发现稀疏曲线未进入平台期，香农曲线已接近平台期，这表明随着测序深度的增加，可能会有新的种系被发现，但当前测序水平已经覆盖了绝大多数的微生物，满足后续分析需求。
图1: 样品中细菌群体的香农曲线 (a) 和稀疏曲线 (b)
为了评估肥胖人群肠道微生物的物种多样性和丰度，我们分别计算了评价物种多样性的香农指数和辛普森指数，评价物种丰度的超1指数和发现物种数（表2）。发现肥胖人群肠道细菌的香农指数平均值为6.89，而健康人体肠道菌群香农指数大于8。同时根据分组，并没有发现3组样本中α多样性存在显著性差异。这表明肥胖人群的肠道菌群的物种多样性显著低于正常体重人群，同时不同健康状态肥胖患者的菌群多样性和丰度并没有存在显著差异，这可能是因为高脂饮食的原因，饮食是构造肠道菌群的重要因素。
目前H组共有12704个OTUs，D组共有11488个OTUs，T组共有7341个OTUs（图2）。三个组共有的OTUs仅有551个，但其中共包含了75152条序列，占序列总数的55.9%，这部分OTU是肥胖人群的“核心OTU”，共有14个“核心菌群”。这551个OTUs经过RDP和Greengene对比发现，有355个OTU被鉴定为拟杆菌属、剩下包含核心OTUs数目较多的还包括梭菌属、栖粪杆菌属、考拉杆菌属和真杆菌属等。这表明拟杆菌属是肥胖人群的共享核心菌群，这些细菌大部分与机体免疫、代谢、消化等功能密不可分，同时不同健康状态的肥胖个体肠道菌群既存在共性也存在差异。
图2: 基于 OTU 水平的 Venn 图 在门的水平上，从所有样品中共鉴定出9个主要门，其中拟杆菌门和厚壁菌门是绝对优势的菌门（图3a）。变形菌门的含量也较高，这可能是由于有些志愿者患胃肠道疾病所致。高脂饮食可以改变肠道菌群，但方向却有所不同，但共同的趋势就是拟杆菌门等高丰度菌群含量增多，放线菌门等低丰度菌群含量下降。
对于肥胖患者的肠道菌群其中拟杆菌门和厚壁菌门的比值(B/F)通常作为肥胖菌群的标签，本试验发现H组的比值为1.35，T组除去14号样品（离群样品），其余比值最低为0.93，这表明在人体内并非所有肥胖个人的B/F值都显著降低，通常在患病肥胖个体的B/F值较健康肥胖个体的B/F值要低。
在属的水平上，共鉴定出86个菌属（图3b），其中拟杆菌属占比最高达到44.74%，其次是普拉菌属(7.77%)，考拉杆菌属(6.96%)。在种的水平上，共鉴定出194个细菌种，相对含量大于1%的有16个，大于0.1%的有57个（图3c）。
图3: 肥胖人群肠道细菌组成的相对丰度
4.不同健康状态肥胖个体肠道细菌比较分析
基于加权和未加权的UniFrac距离的主坐标分析(PCoA)，分析14个样本的细菌结构发现H组除了一个样本外，其他与D组和T组距离较远，而T组除了一个样本外，其他样本与D组分别都有聚类趋势（图4）。
为了进一步研究不同健康状态下肥胖个体肠道菌群差异，进行了LEfSe分析（图5）。分析发现T组和D组较H组差异菌种均包含7个种。其中耐胆盐的Alistipes和拟杆菌属在T组和D组内显著高于没有疾病的H组。对于T组和D组中，此外还发现真杆菌属和产气柯林斯菌在T组的相对含量大于D组。这表明健康肥胖人群和患病肥胖人群肠道菌群存在差异，同时不同疾病的肥胖人群间肠道菌群同样存在差异，疾病可以影响肥胖人群的肠道菌群结构。
图5: 不同健康状态的肥胖人群肠道细菌 LESfE 分析
试验结论
高脂饮食的肥胖人群与健康体重人群的肠道菌群间存在差异，饮食可以改变人体肠道菌群的结构。肥胖人群的核心菌属中以拟杆菌属丰度最高，同时肥胖也会导致菌群丰富度下降，高丰度菌群含量升高，低丰度菌群含量下降。
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