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文獻ID

題目：Strain-Level Analysis of Mother-to-Child Bacterial Transmission during the First Few Months of Life

譯名：生命前幾個月菌株水平的母嬰傳遞分析

期刊名：Cell Host & Microbe   

發(fā)表時間：2018.7  IF：17.872

通訊作者：Ramnik J. Xavier

單位：麻省理工學(xué)院，哈佛大學(xué)

材料與方法

實驗設(shè)計

樣本采集：44對芬蘭母嬰糞便樣本，包括嬰兒出生時，出生后2周、1個月、2個月、3個月的樣本，以及母親孕期第27周、分娩時、分娩后3個月的樣本。

測序區(qū)域及平臺

測序方法：宏基因組測序

測序平臺：Illumina HiSeq 2500 platform

研究成果

1、母嬰腸道微生物的顯著特性

每一個個體都有他獨特的微生物結(jié)構(gòu)，并且成年人和嬰兒的菌群結(jié)構(gòu)即使在門水平也可以明顯地區(qū)分開來（圖1A、圖1B）。嬰兒的菌群以放線菌門（Actinobacteria）和 變形菌門（Proteobacteria）為主，而母親以擬桿菌們（Bacteroidetes）和壁厚菌門（Firmicutes）為主。

通過計算相對豐度大于1%的物種數(shù)量，發(fā)現(xiàn)嬰兒的菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜性低（圖1C，這一點也通過Shannon多樣性指數(shù)獲得證明）。母親樣本中相對豐度在1%以上的物種有20種或20種以上，而嬰兒樣本中一般只有10種或更少。

為了比較母嬰菌群，進行家庭內(nèi)部和家庭之間微生物群落的變化和多樣性分析（圖1D）。通過測試相鄰時間點菌種水平差異，比較了腸道微生物群的穩(wěn)定性。相比于隨機配對，母親菌群表現(xiàn)出穩(wěn)定性（family B-C距離顯著小于unrelated B-C距離）；隨著時間的推移，嬰兒腸道菌群也展現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性。然而，母親和嬰兒的微生物群落之間并沒有顯著的相似性。

另外，發(fā)現(xiàn)了六個在母親和嬰兒菌群中均普遍存在的菌種（相對豐度為5%或更大）：三個擬桿菌屬物種（B.uniformis、B.vulgatus、B.dorei)，兩個雙歧桿菌屬物種 (B.adolescentis、B.longum)以及Escherichia coli（圖1E）。

圖1 母親和嬰兒腸道微生物的變化軌跡

2、菌株水平的變化說明母嬰傳遞有兩種模式

本文從菌株的層面研究母嬰傳遞，通過基因組上的SNVs(single nucleotide variant)確定菌株組成和豐度。在基因組的任意位置，豐度最高的菌株的read數(shù)最多，因此把該位置的核苷酸稱為（major nucleotide），而豐度第二高的菌株的核苷酸稱為（minor nucleotide），本文對其他低豐度的核苷酸不進行討論。母嬰之間的高度核苷酸相似性可以表明他們分享著相同的菌株，從而暗示著菌株的母嬰傳遞。

首先進行豐度最高的菌株傳遞研究，圖2A中列出了所有母親和嬰兒具有共同major nucleotide的情況（matched position）。當(dāng)計算major nucleotide匹配率的時候，發(fā)現(xiàn)無親屬關(guān)系的母嬰有98.5%-99.0%的一致性，而母嬰配對至少達(dá)到99.8%的一致性。本文對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化，通過dominant Z score來定量表示匹配率，對于單形擬桿菌（Bacteroides uniformis），發(fā)現(xiàn)一些優(yōu)勢菌株能在母嬰之間傳遞（比如M0074的dominant Z score是4.27），而其他優(yōu)勢菌株沒有傳遞性（比如M0297、M0399的dominant Z score分別只有0.43、-0.43）（圖2B）。

然后進行了豐度第二高的菌株傳遞研究（secondary strain Z scores），主要關(guān)注在嬰兒中是major nucleotide，而在母親中是minor nucleotide的匹配菌株，發(fā)現(xiàn)B. uniformis中M0297和M0074具有傳遞性（secondary strain Z scores分別為2.72、4.65）。

為了看不同的菌種是否有唯一的傳遞模式，比較了不同菌種的dominant和secondary Z scores（圖2C-F）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，B. vulgatus和B. adolescentis展現(xiàn)出母嬰之間優(yōu)勢菌株的傳遞模式，而B. dorei更多地展現(xiàn)出豐度第二高的菌株傳遞模式。

圖2 母嬰傳遞的兩種模式

3、母嬰菌群中發(fā)現(xiàn)家庭特異性抗性因子

利用數(shù)據(jù)庫（Comprehensive Antibiotic Resistance Database）注釋抗性基因?？剐曰虻呢S度在嬰兒組中高于母親組，且有的基因具有專屬性，只在嬰兒組或母親組中存在。本文研究抗性基因的傳遞性，假設(shè)來自相同家族的樣本比來自不相關(guān)個體的樣本更容易觀察到抗性基因的傳遞。由于常見的抗性基因存在于大多數(shù)樣本中，無法可靠地將傳遞事件與隨機事件區(qū)分開，所以將重點放在不太常見的抗性基因。對于每一個AR基因都考慮了它是傾向于在家庭內(nèi)部同時發(fā)生還是隨機在個體中發(fā)生（計算q值，圖3a）。

遺傳的AR基因并不局限于一種特定類型的抗性。例如，q值最小的基因為ORF3，該基因具有青霉素抗性，只在一個家庭的嬰兒樣本中發(fā)現(xiàn)（圖3B），而Msr3_mel基因具有大環(huán)內(nèi)酯抗性，只在兩個家庭的嬰兒樣本中發(fā)現(xiàn)（圖3C）。tetX基因具有四環(huán)素抗性，它在多個家庭的樣本中被發(fā)現(xiàn)，有的在母親和兒童樣本中均有，有的僅在母親樣本中（圖3D）。

圖3 抗性基因的家族特異性

4、基因豐度差異是豐度第二高的菌株傳遞模式的驅(qū)動因素

為何有的家庭中，母親豐度第二高的菌株會成為孩子豐度最高的菌株？本文猜測是由于母親豐度最高的菌株中缺少對孩子有益的特殊基因。針對B. uniformis中的基因，檢索在豐度最高的菌株傳遞模式下，母親和嬰兒豐度最高的菌中均存在，但是在豐度第二高的菌株傳遞模式下，只嬰兒中存在的基因（圖4A）。在B. uniformis的7410個泛基因中，找到9個與傳遞模式相關(guān)的基因（圖4B），而這9個基因位于5個B. uniformis參考基因組上（圖4C）。這一組基因可能是淀粉利用系統(tǒng)，在擬桿菌門的菌種中經(jīng)常存在，使其能夠通過細(xì)胞包膜相關(guān)的多蛋白系統(tǒng)處理復(fù)雜的多糖。多糖的代謝對嬰兒尤為重要，因為他們會利用母乳中的獨特多糖，這暗示了嬰兒對這些基因的偏好選擇。

圖4 B. uniformis淀粉利用系統(tǒng)

研究結(jié)論

1、發(fā)現(xiàn)了母嬰傳遞的兩種傳遞模式；

2、研究了擬桿菌菌株水平在母嬰之間的傳播，并發(fā)現(xiàn)菌株的功能差異可能驅(qū)動其不同的傳播模式。

亮點

1、采用single-nucleotide variation(SNV)方法，在菌株水平研究菌群的母嬰傳遞；

2、在功能水平解釋了傳遞模式差異的原因。

銳翌基因服務(wù)

宏基因組測序采用最新的Illumina Hiseq平臺，并具有以下優(yōu)勢：

■ 全面的技術(shù)策略：采用Illmina Hiseq平臺，測序策略為PE150。對測序序列組裝，得到微生物群落結(jié)構(gòu)的基因信息，分析微生物群落結(jié)構(gòu)的基因、功能基因及物種多樣性，探討微生物群落與宿主之間的相互關(guān)系等。

■ 更合理的分析方法：增加了最前沿的CAG和MGS等宏基因組分析方法，深入挖掘樣品中的信息。

■ 多選擇的功能基因注釋數(shù)據(jù)庫：KEGG、eggNOG、CAZY、ARDB、SEED等。