Science | 哺乳类动物肠道菌群的传递模式
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文章速递
本文收集了来自美国 ( 图森 ) 和加拿大 ( 埃德蒙顿 ) 等地的野生小鼠，合计 20 只，分离出了 17 个品系的小鼠并进行自交繁殖，三年实验期间，这些品系小鼠分别培育出了 5~11 代不等的小鼠 ( 图1 A ) 并持续监测小鼠肠道微生物变化情况，分别取了祖先野生小鼠中提取盲肠内容物，和其繁殖的每一代自交系小鼠中提取盲肠内容物，共得到了 212 份样品，并进行 16S rRNA V4-V5 区域测序分析。研究发现小鼠肠道微生物主要以纵向遗传 / 传递为主，即主要来源于母亲且在子代中长期保持稳定 ( 例如，可保持稳定长达10代 )。然而，某些细菌类群 ( 例如，一些致病菌 / 病原菌 ) 倾向于在小鼠品系之间进行横向交换 / 传递。同时，根据美国流行病学数据显示，一些人类病原菌 / 致病菌倾向于横向传播 / 传递，亦与进化理论一致。
关键字: Mammalian gut microbiota, Transmission modes
Title: Transmission modes of the mammalian gut microbiota
DOI: 10.1126/science.aat7164
Journal: Science [IF 41.058]
First Authors: Andrew H. Moeller
Correspondence: Andrew H. Moeller & Michael W. Nachman
Affiliation: Museum of Vertebrate Zoology, University of California, Berkeley, CA 94720, USA. & Department of Integrative Biology, University of California, Berkeley, CA 94720, USA
Published: 2018-10-26
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研究背景
所有哺乳动物都与细菌有关联，细菌影响宿主的消化系统、免疫系统和神经内分泌系统。然而，微生物群落中特定的细菌谱系在宿主之间的传递途径仍不清楚。哺乳动物的微生物，既是从母体纵向传递 / 遗传给后代，又是通过非亲人之间的社会交往和共享环境中获得。所以，人类 / 动物体内微生物群纵向和横向传递的区分变得错综复杂。
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研究结果
2.1 评估横向和纵向传递对小鼠菌群组成的相对贡献
为了评估小鼠体内菌群组成横向和纵向传递的相对贡献，计算所有小鼠盲肠内容物样本两两比较的 Sorensensend-Dice 系数，并定义 Binary Sorensen-Dice dissimilarity ( BSDD ) ( 1-binary Sorensen-Dice coefficient )。其中，较高的BSDD表明微生物群落成员之间的交集较少，而较低的BSDD表明微生物群落成员之间的交集较多。
通过比较发现，纵向遗传是肠道细菌从野生小鼠向实验室小鼠过渡，以及随后的近亲繁殖过程中传递的主要方式。
埃德蒙顿和图森的小鼠，在野生环境中取样，它们的肠道菌群组成截然不同 ( 图1 B )。在实验室中取样的埃德蒙顿和图森小鼠，保持了组成上不同的肠道微生物群特征，反映了它们不同的原始野生种群 ( 图1 C )。实验室出生小鼠的微生物往往更接近于其在野生祖先种群中取样的个体，而与其他野生祖1先种群中取样的个体不同 ( 图1 D )。在第 10 代实验中，埃德蒙顿和图森小鼠的微生物组的区别仍然很明显 ( 图1 E )。在实验过程中，我们观察到每个小鼠系，包括来自于相同祖先的子系，维持着不同的肠道微生物群落( 图1 F )。
图1 A ) 17个自交系小鼠，绿色和紫色分别代表图森和埃德蒙顿小鼠；B ) 野生小鼠主坐标 ( PCoA ) 分析结果；C ) 实验室小鼠主坐标分析结果；D ) 实验室小鼠和相同 ( 左 ) 与不同 ( 右 ) 地理位置来源的野生小鼠之间的 BSDDs；E ) 来自相同 ( 左 ) 与不同 ( 右 ) 地理位置来源野生小鼠的后代 ( 第 10 代 ) 之间的 BSDDs；F ) 来自不同品系但相同地理位置小鼠 ( 灰色 )，图森系小鼠 ( 绿色 ) 和埃德蒙顿系 ( 紫色 ) 小鼠的 BSDDs。
2.2 肠道细菌传递的主要模式 - 纵向传递/遗传
样品间的 BSDD 表明，纵向遗传是肠道细菌传递的主要模式，但样品间的 BSDD 也表明，部分肠道细菌是横向传递的。
在整个实验过程中，随着时间的推移，图森和埃德蒙顿小鼠的微生物群落成员是趋同的 ( 图2 A ) 。
我们将实验分为 7 个等长的时间段，在实验室中发现同一时间段图森和埃德蒙顿小鼠的 BSDD 随时间的增加而减少。这一趋势表明在图森和埃德蒙顿小鼠之间有细菌交换，或是在实验室环境中的平行选择。
为了辨别这些改变，我们比较了在实验室饲养的来自同一地点和不同地点的下一代小鼠的肠道微生物。发现它们肠道微生物的不同随着时间的推移而减少 ( 图2 B )。这些结果表明，经过实验室饲养的小鼠肠道微生物与最初野生祖先小鼠的肠道微生物有转移，引起转移的原因很可能是由于在实验室环境下的漂移和选择二者的组合。
实验室饲养小鼠的肠道微生物群落与来自其它地理位置来源的野生小鼠系的肠道微生物群落趋同，表明肠道微生物在不同野生系群体之间是横向传递的。
图2 A ) 图森和埃德蒙顿小鼠样本在相同时间周期的 BSDDs，绿色 ( L ) 代表图森实验室小鼠，紫色 ( L ) 代表埃德蒙顿实验室小鼠；B ) 实验室小鼠和野生小鼠之间随时间推移 ( number of days：左侧； generations：右侧 ) 的 BSDDs；实验室小鼠和对应的相同地理位置来源的野性小鼠 ( 上 )；实验室小鼠和不同地理位置来源的野生小鼠 ( 下 )；图中曲线为 best-fit polynomial regressions；图中显著性 nonzero linear ( 左上角 ) and quadratic parameters ( 右上角 )。其中，ns, not significant; *P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001。
2.3 细菌属间 TM 评分 ( transmission mode score )
作者用 TM 评分判断细菌的传递模式，当 TM 评分大于 1，说明该菌偏向纵向传递；当 TM 评分小于 1，说明该菌偏向横向传递。
TM 评分在细菌属间呈双峰分布 ( Hartigan’s dip test P value = 0.001252 ) ，并在 1 左右 / 附近下降 ( 图3 A )。因此，小鼠肠道微生物中的细菌属要么是横向交换要么是纵向遗传 / 传递，亦有相对较少的细菌属为二者的混合传递策略。
传递方式与细菌的系统发育有关。芽孢杆菌纲，梭菌纲和拟杆菌纲三个细菌纲在属水平的TM评分均值有显著差异 ( 图3 B )。
传递途径也与细菌的生活方式有关 ( 图3 C )。专性厌氧菌倾向于纵向传递 ( TM score > 1； t test P value = 0.01503 )。而专性需氧菌横向传递 ( TM score < 1； t test P value = 0.01537 ) ( 图3 C )。这些结果表明耐氧能力使肠道细菌谱系横向传递。
图3 TM评分的Kernal density 分布。A ) 所有细菌；B ) 芽孢杆菌纲，梭菌纲和拟杆菌纲；C ) 专性厌氧菌和专性需氧菌。浅灰色代表横向传递；深灰色代表纵向传递 / 遗传。显著性Hartigan’s dip test for unimodality。其中，*P < 0.05; **P < 0.01;***P < 0.001。
2.4 人类病原菌毒力演化研究
进化理论认为传递方式影响毒力的演化，与严格的纵向传递相比，横向传递更有利于增加毒力。
为了调查 TM 评分与毒力的关系，使用美国流行病学和因肠道细菌属引起的食源性感染数据。目前美国疾病控制与预防中心正在监测的新发感染项目中，TM 评分的平均值明显低于 1 ( 图4 ) ( t test P value = 0.0345 )。TM 评分与由不同细菌属引起的感染和住院人数显著相关。因此，人体的细菌病原体，似乎更适于在室内环境中传播。
以往的研究表明，病原菌通常是多面手，能够在宿主相关环境和外界环境中存活。结果表明，在小鼠和人类中横向传递的细菌属比纵向传递的细菌属更容易表现出毒力。
图4 TM 评分预测人类病原菌感染和住院比例。A ) 来自食源性感染的患病率；B ) 来自食源性感染的住院数；C ) 卫生保健相关感染的患病率。趋势线：linear regressions, 显著性：the nonzero slope denoted ；其中，* ( P < 0.05 ) and ** ( P < 0.01 )； R^2:coefficient of determination
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讨论与总结
本文主要结论如下：
1) 小鼠肠道微生物传递模式以纵向传递/遗传为主，而某些细菌微生物也进行横向传递；
2) 微生物传递 / 传播亦与其系统发育和 / 或生活方式有关，例如厌氧 / 需氧等；
3) 根据美国流行病学调查数据显示，病原菌的传递 / 传播与致病性有关。同时，与进化理论吻合。
此外，本研究的图森和埃德蒙顿小鼠被放在同一间屋子里不同的架子上，不同品系的小鼠从来没有直接接触过。每1到2周，小鼠会被提供新的笼子、食物和草垫。所有的笼子都用高压灭菌，食物和草垫都进行消毒。
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M 菌说
1) 采集野生小鼠，用3年时间，进行自交繁殖 5~11 代，并持续监测小鼠肠道微生物变化情况。
2) 使用 BSDD 评估小鼠肠道微生物相似性。
3) 使用 TM 评分判断传递模式。
4) 对美国流行病学数据进行分析和预测，推断致病菌的传递 / 传播模式和趋势。
参考文献
Moeller A H, Suzuki T A, Phifer-Rixey M, et al. Transmission modes of the mammalian gut microbiota[J]. Science, 2018, 362(6413): 453-457.
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