研究思路|微生物組+代謝組多組學(xué)應(yīng)用案例解讀（第一期）

美格基因 2020-12-18

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在高通量測序的大力推動和快速發(fā)展下，微生物組學(xué)研究進(jìn)入到了多組學(xué)的時代。為更好滿足科研人員多組學(xué)聯(lián)合分析需求，美格基因基于科研需求及以往項目經(jīng)驗，全新推出微生物組+代謝組聯(lián)合分析解決方案，克服單一組學(xué)研究局限性，多角度解釋科學(xué)問題！

今天為大家分享一篇發(fā)表在mSystems上的研究，研究對定殖耐萬古霉素屎腸球菌的微生物群與微生物組-代謝物相關(guān)聯(lián)進(jìn)行了探究，是一篇微生物組+代謝組多組學(xué)運用的佳作！

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

定殖耐萬古霉素屎腸球菌的微生物群與微生物組-代謝物相關(guān)聯(lián)

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

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

二、實驗設(shè)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喂養(yǎng)小鼠2d（antibiotic treatment），停用1d后（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(jìn)行16S rRNA測序，同時進(jìn)行糞便代謝物的液相色譜分析，構(gòu)建微生物與代謝組之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系。

三、實驗結(jié)果

1.擴(kuò)增子測序結(jié)果表明微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化

表1 樣品總結(jié)

N：原始樣品；Abx-Tx：抗生素處理期；Abx-Wn：抗生素適應(yīng)期；VRE-E：VREfm定殖早期；VRE-L：VREfm定殖后期

經(jīng)不同處理，各樣品的OTU豐度有所差異（圖1）。經(jīng)過頭孢曲松喂養(yǎng)，小鼠腸道的優(yōu)勢物種從擬桿菌綱變成了柔膜菌綱，而在VREfm定殖后期又恢復(fù)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(yīng)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定殖后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(jié)構(gòu)穩(wěn)定，多樣性高。經(jīng)頭孢曲松處理后群落多樣性和穩(wěn)定性急劇下降，而VREfm的定殖又進(jìn)一步增強(qiáng)了這種效果，3d后微生物群落豐度開始恢復(fù)。這些結(jié)果說明小鼠腸道是個穩(wěn)定的微生物保存庫，被干擾后群落豐度也能夠恢復(fù)到最初的狀態(tài)。

圖2 多樣性分析

3.多重回歸尋找與VREfm定殖相關(guān)的sOTUs

利用多重回歸尋找與VREfm定殖最相關(guān)的OTU，5個正相關(guān)的OTU分別來自腸球菌屬（Enterococcus）、擬桿菌屬（Bacteroides）、丹毒絲菌科（Erysipelotrichaceae）、過氧化氫酶桿屬（Catabacter）、毛螺菌科（Lachnospiraceae），而負(fù)相關(guān)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(guān)性最強(qiáng)

4.分子網(wǎng)絡(luò)鑒定代謝組的差別

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(jié)果顯示各樣品間代謝組不同（圖4）。在實驗初始階段和VREfm定殖后期的代謝組聚類到了一起，抗生素處理后和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(yù)測代謝物與實驗組之間的相關(guān)性。結(jié)果表明每個實驗階段都有獨特的代謝特征。重要的是，VREfm定殖后期樣本中找到一種含有n -乙酰化羥基的未知代謝物（feature 6325），該物質(zhì)僅在群落向初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變時出現(xiàn)。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(xué)分析

5.擬桿菌相關(guān)代謝物與VREfm定殖后期相關(guān)

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定殖后期。分析微生物-代謝物互作時發(fā)現(xiàn)，VREfm定殖后期腸球菌起到非常重要的作用，恢復(fù)的細(xì)菌中擬桿菌的OTU占了絕對豐度，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定殖后期高度相關(guān)。整體數(shù)據(jù)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(biāo)矢量圖

四、小結(jié)

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(qiáng)。有研究表明腸道微生物能夠調(diào)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(guān)的微生物和代謝物分別為腸球菌和feature 6325。這為進(jìn)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(chǎn)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，但由于目前對于細(xì)菌基因庫認(rèn)知的不完全性，限制了對有關(guān)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(jié)合微生物組和代謝組進(jìn)行多組學(xué)聯(lián)合分析，構(gòu)建了微生物與代謝組之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，并找到了VREfm定殖初期及后期與丁酸相關(guān)的典型代謝物，填補(bǔ)了腸道微生物功能研究數(shù)據(jù)上的空白。