研究思路|微生物組+代謝組多組學應用案例解讀(第一期)

2020-12-22 美格基因

在高通量測序的大力推動和快速發展下，微生物組學研究進入到了多組學的時代。為更好滿足科研人員多組學聯合分析需求，美格基因基於科研需求及以往項目經驗，全新推出微生物組+代謝組聯合分析解決方案，克服單一組學研究局限性，多角度解釋科學問題！

今天為大家分享一篇發表在mSystems上的研究，研究對定殖耐萬古黴素屎腸球菌的微生物群與微生物組-代謝物相關聯進行了探究，是一篇微生物組+代謝組多組學運用的佳作！

Microbe-Metabolite Associations Linked to the Rebounding Murine Gut Microbiome Postcolonization with Vancomycin-Resistant Enterococcus faecium

定殖耐萬古黴素屎腸球菌的微生物群與微生物組-代謝物相關聯

作者：Andre Mu 等

期刊：mSystems

時間：2020

IF：6.519

DOI：10.1128/mSystems.00452-20

方法：16S+代謝組

一、文章摘要

具備萬古黴素抗性的屎腸球菌（Enterococcus faecium，VREfm）是近年來出現的一種病原菌，人們開始研究VREfm定殖人類腸道的分子機制，但對該過程中腸道共生細菌的作用仍然不甚理解。在此，作者通過16S擴增子和代謝組研究小鼠腸道微生物對VREfm定殖的作用。經頭孢曲松和VREfm處理，小鼠腸道微生物的轉變發生在擬桿菌門和柔膜菌門間。研究細菌和代謝物共現性時找到了VREfm定殖初期及後期的與丁酸相關的典型代謝物，這些與擬桿菌有關的代謝物能指示微生物群落向原始狀態過渡的狀態。本研究說明了抗生素對腸道生態系統的影響，以及定殖VREfm後腸道微生物組的轉變。未來或可優先選擇用擬桿菌來改調節代謝組，已作為消除VREfm的非抗生素療法。

二、實驗設計

實驗樣品來自六周齡雄性小鼠（naive phase）。將頭孢曲松添加到飲水中餵養小鼠2d（antibiotic treatment），停用1d後（antibiotic weaning）將屎腸球菌ST796移植到小鼠中（early VRE colonization and late VREfm colonization phases）。提取小鼠糞便DNA進行16S rRNA測序，同時進行糞便代謝物的液相色譜分析，構建微生物與代謝組之間的網絡關係。

三、實驗結果

1.擴增子測序結果表明微生物結構發生了變化

表1 樣品總結

N：原始樣品；Abx-Tx：抗生素處理期；Abx-Wn：抗生素適應期；VRE-E：VREfm定殖早期；VRE-L：VREfm定殖後期

經不同處理，各樣品的OTU豐度有所差異（圖1）。經過頭孢曲松餵養，小鼠腸道的優勢物種從擬桿菌綱變成了柔膜菌綱，而在VREfm定殖後期又恢復成了擬桿菌綱。

圖1 綱水平上OTU的生物多樣性

2. 小鼠腸道微生物響應抗生素，在VRE定殖3d后豐度上升

從PCoA圖可以看到，不同處理的樣本明顯分開了，而頭孢曲松處理和VREfm定殖後期的樣本有聚類到一起的趨勢（圖2）。在群落組成方面，對照組中微生物的群落結構穩定，多樣性高。經頭孢曲松處理後群落多樣性和穩定性急劇下降，而VREfm的定殖又進一步增強了這種效果，3d後微生物群落豐度開始恢復。這些結果說明小鼠腸道是個穩定的微生物保存庫，被幹擾後群落豐度也能夠恢復到最初的狀態。

圖2 多樣性分析

3.多重回歸尋找與VREfm定殖相關的sOTUs

利用多重回歸尋找與VREfm定殖最相關的OTU，5個正相關的OTU分別來自腸球菌屬（Enterococcus）、擬桿菌屬（Bacteroides）、丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）、過氧化氫酶杆屬（Catabacter）、毛螺菌科（Lachnospiraceae），而負相關的是梭菌目（Clostridiales）、安德克氏菌屬（Adlercreutzia）、柔膜菌綱（Mollicutes）、消化鏈球菌科（Peptostreptococcaceae）和梭菌目（Clostridiales）。VREfm定殖的第一天，腸球菌屬豐度最高，說明腸球菌也許能阻礙VREfm定殖（圖3）。

圖3 多重回歸檢測到一種腸球菌與VREfm定殖相關性最強

4.分子網絡鑑定代謝組的差別

用MS-LC檢測不同時間段小鼠腸道代謝物的變化（表1）。PCoA分析結果顯示各樣品間代謝組不同（圖4）。在實驗初始階段和VREfm定殖後期的代謝組聚類到了一起，抗生素處理後和VREfm定殖前期的聚類到了一起。這說明兩個時期的樣本情況更相似。

使用自由森林分析預測代謝物與實驗組之間的相關性。結果表明每個實驗階段都有獨特的代謝特徵。重要的是，VREfm定殖後期樣本中找到一種含有n -乙醯化羥基的未知代謝物（feature 6325），該物質僅在群落向初始狀態轉變時出現。另外，在用抗生素處理期間頭孢曲松（feature 3901）的豐度最高。

圖4代謝組學分析

5.擬桿菌相關代謝物與VREfm定殖後期相關

不同實驗階段微生物和代謝物的豐度差別都較大，尤其是VREfm定殖後期。分析微生物-代謝物互作時發現，VREfm定殖後期腸球菌起到非常重要的作用，恢復的細菌中擬桿菌的OTU佔了絕對豐度，該階段檢測到的2個代謝物為m/z 173.067 RT 18.392和m/z 167.083 RT 25.277。而m/z 245.055 RT 7.945與VREfm定殖後期高度相關。整體數據說明是腸道微生物引起了代謝物的改變。

圖5 微生物-代謝物雙標矢量圖

四、小結

屎腸球菌（VREfm）有潛在的對抗多種抗生素的能力，它們對人類健康的威脅日漸增強。有研究表明腸道微生物能夠調整VREfm生長，抑制VREfm的毒力。本研究探索了抗生素處理和VREfm定殖條件下腸道微生物和代謝物的變化情況，找到了與VREfm相關的微生物和代謝物分別為腸球菌和feature 6325。這為進一步的研究提供了參考，未來，也許可以通過利用腸道微生物產生的益生元來治療多抗生素抗性病原菌的感染。

五、點 評

16S rRNA測序雖然可以方便地研究腸道微生物群的組成，但由於目前對於細菌基因庫認知的不完全性，限制了對有關代謝物影響的理解。為了更好的理解小鼠腸道微生物對VREfm定殖的作用，作者有效地結合微生物組和代謝組進行多組學聯合分析，構建了微生物與代謝組之間的網絡關係，並找到了VREfm定殖初期及後期與丁酸相關的典型代謝物，填補了腸道微生物功能研究數據上的空白。

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