查看原文
其他

性别居然会决定抗生素对肠道菌群和代谢的作用效果 | 微生物专题

运营部-MWK 联川生物 2022-05-21

发表期刊:mSystems

发表时间:2019

影响因子:6.519

研究内容:抗生素治疗、肠道微生物、短链脂肪酸和氨基酸代谢、性别依赖效应

实验方法:16S rRNA基因测序+代谢组检测

样本数量与类型:60份结肠内容物样本(16S测序),60份结肠内容物样本和60份结肠组织样本(代谢组检测)


材料与方法
6周龄的雄性与雌性小鼠各30只恒定条件下驯化2周,随机分为3组:非抗生素处理组(NAbx)、万古霉素(Vanc)(治疗革兰氏阳性菌)处理组和环丙沙星甲硝唑(CIME)(治疗革兰氏阴性菌)处理组。对照组接受不含抗生素的饮用水,直到抗生素处理结束。抗生素处理2周后提取结肠内容物与结肠组织进行16S测序与代谢组学分析。


小鼠性别依赖性的微生物组成变化
通过16S rRNA基因测序分析结肠内容物中的微生物群,α多样性结果显示:与雄性小鼠相比,雌性小鼠肠道微生物群落观察到的物种和分类群多样性(Shannon指数)显著降低(图1A、B)。在门水平上,与雄性小鼠相比,Firmicutes(厚壁菌门)与Deferribacteres(脱铁杆菌门)的比例在雌性小鼠中显著降低,而Bacteroidetes(拟杆菌门)和Proteobacteria(变形杆菌门)的比例增加(图1C)。基于肠道微生物群的主成分分析(PCA)结果也显示了雄性和雌性小鼠在门与属水平的显著分离(图1D、E)。此外,雌性小鼠比雄性小鼠具有更高的Lactobacillus(乳酸菌)、Prevotella(普里沃特氏菌)和Sutterella(萨特氏菌)的丰度(图1F)。
图1不同性别健康小鼠肠道微生物群落的差异
小鼠性别依赖性的代谢变化
使用NMR波谱(图2A、B)分析了小鼠结肠内容物和组织中的代谢组学特征,
共鉴定出24种代谢物:主要包括短链脂肪酸(SCFA)(甲酸、乙酸酯、丁酸和丙酸),氨基酸(丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、甘氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和牛磺酸),能量代谢(琥珀酸、肌酸和乳酸),胆碱代谢(胆碱和磷酸胆碱)和其他(乙酰胆碱、肌醇、尿嘧啶和肌苷)。PCA结果显示,在结肠内容物(图2C)和组织(图2D)的代谢组中观察到雄性和雌性小鼠之间的明显区别。此外与雄性小鼠相比,雌性小鼠结肠内容物中亮氨酸和乙酸乙酯的水平显著增加(图3A),而苯丙氨酸和酪氨酸的变化则相反。然而,在结肠组织中,雄性小鼠的乙酸盐、丁酸盐和丙酸水平较低,而胆碱、尿嘧啶和肌苷水平高于雌性小鼠。
图2 不同性别健康小鼠肠道代谢组学特征的差异


图3 不同性别健康小鼠肠道代谢物的差异
抗生素对不同性别小鼠微生物多样性和组成的影响
为了研究抗生素暴露对微生物多样性变化的性别依赖性影响,在抗生素处理14天后,分析了雄性和雌性小鼠结肠内容物中的微生物群落,并评估了未经抗生素处理(NAbx)和抗生素处理(Vanc和Cime)组的α多样性,肠道微生物群落的observed species(图4A)和Shannon指数(图4B)分别显示雌性小鼠多样性显著降低,而雄性小鼠只有在VANC处理后才显著降低(图4C)。PCA分析显示雄性小鼠Vanc处理沿PC1轴与其他两组明显分离,而NAbx和Cime组彼此接近(图4D),雌性小鼠的Vanc处理与CIME结果如图4E所示。通过GLMM(广义线性混合模型)分析性别和抗生素的交互作用对肠道微生物群落的影响(图6A),门水平上Firmicutes(厚壁菌门)和Proteobacteria(变形菌门)显示出显著的交互作用(图4F、G),属水平结果显示出不同菌属的差异变化(图5)。进一步采用基于属水平上的肠道微生物群落聚类分析来评估不同组之间的相似性(图6B),与之前的结果相符。通过网络分析(图6C、D)发现,在雌性小鼠中,微生物之间的相互关系可能比雄性小鼠更强。
图4不同性别健康小鼠肠道微生物门水平抗生素效应的差异
图5健康小鼠肠道微生物厚壁菌门和变形杆菌门属水平抗生素效应的性别差异
图6不同性别健康小鼠肠道微生物属水平抗生素效应的差异
抗生素对小鼠结肠内容物和组织代谢组的性别差异的影响
对于雄性小鼠基于结肠内容物(图7A)和组织(图7C)的代谢组可以清楚地将VanC组与其他两组分开,但Cime组与NAbx组接近。相反对于雌性小鼠,Cime组明显区别于NAbx组并接近VanC组,如图7B所示的结肠内容物和图7D所示的结肠组织。同样地采用GLMM分析来评估性别和抗生素之间的交互作用对小鼠体内代谢变化的影响:在结肠内容物中鉴定了一系列在性别和抗生素之间具有显著相互作用的代谢物,包括醋酸、丁酸、丙酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸和乳酸(图8),只有在结肠组织中检测到醋酸、丁酸、丙酸、甲酸和天冬氨酸的显著相互作用(图9)。在Vanc和Cime暴露后,雌性小鼠结肠内容物和组织中的SCFA显著降低,而在仅用VanC处理的雄性小鼠中发现这些降低。
图7不同性别健康小鼠肠道代谢组学特征抗生素效应的PCA分析
图8抗生素对健康小鼠结肠内容物代谢水平影响的性别差异
图9抗生素对健康小鼠结肠组织代谢水平影响的性别差异
小鼠宿主-微生物代谢相互作用的性别差异
为了探究微生物和代谢物之间的关联,使用Pearson相关分析评估了相关性,并基于性别和抗生素之间显著相互作用的12个细菌属和12个代谢物绘制网络图:相关性系数|rho|>0.3结果(雄性:图10A,雌性:图10B)与相关性系数|rho|>0.8结果(雄性:图10D,雌性:图10E),表明雄性小鼠的宿主-微生物代谢相互作用比雌性小鼠弱。
图10肠道微生物群落与代谢产物的相关性
总结
本研究中首先发现肠道微生物组和代谢组受性别的影响,同时揭示了抗生素暴露对肠道微生物群落的影响具有性别特异性,这表明在科学研究或临床实践中使用抗生素可能需要考虑性别作为影响因素之一。在这项研究中,没有进一步探讨其潜在原因,但性类固醇激素可能是主要原因之一。
编者说本文作者首先假设抗生素治疗对肠道微生物和代谢物受性别的影响,然后通过16S测序分析与代谢组学分析验证了单一变量(性别)与多变量(性别与抗生素处理)的差异。发现一系列差异显著物种与代谢物,GLMM分析来评估性别和抗生素之间的交互作用对小鼠体内物种与代谢物变化的影响,最终通过两者关联分析进一步得出最终的结论:抗生素暴露对肠道微生物群落的影响具有性别特异性。全文思路清晰,值得肠道微生物-代谢物与影响因素的研究的借鉴。
相关阅读微生物组学在肿瘤研究中的新思路 | 微生物专题
为什么别人的肠道菌群与结直肠癌关系研究能发Nature Medicine | 微生物专题
我的领域文章众多,还能发高分文章吗,这篇Nature Microbiology文章会回答你的疑问 | 微生物专题
医学16S测序报告:为忙碌的医生而准备 | 微生物专题
【用户文章】 微生物专题 | 环境治疗与微生物研究更配哦
如何用肠道微生物组鉴定原因不明疾病的分子标志物 | 微生物专题
做了16S测序,为什么还要做宏基因组测序?| 微生物专题
一篇医学微生物组16S测序文章必备的六张图 | 微生物专题


您可能也对以下帖子感兴趣

文章有问题?点此查看未经处理的缓存