iHMP 第二弹 | 阴道微生物与早产

31

文献速递

全世界早产的发生率超过 10％。各国的早产率存在显着差异，在美国，非裔妇女承担着极大的早产风险负担。

本研究介绍了作为 iHMP 项目的一部分，囊括了约 12,000 个样本的“组学”数据。

纵向分析了来自 45 名早产和 90 名足月出生对照的妇女阴道 16S rRNA、宏基因组，宏转录组和细胞因子谱数据，揭示了主要为非裔美国妇女的早产阴道微生物的特征。

研究结果显示，早产产妇的阴道菌群多样性增加，卷曲乳杆菌的丰度降低，细菌性阴道炎相关细菌1（BVAB1）、TM7-H1、一组 Prevotella 物种和 9 个额外的分类群的丰度增加；并首次报道了 BVAB1 及 TM7-H1 的基因组。

早产相关分类群与阴道分泌物中的促炎细胞因子水平显著相关。

这些研究发现将为了评估早产风险的工作添砖加瓦。

Keywords: vaginal microbiome, preterm birth

Title: The vaginal microbiome and preterm birth

DOI: 10.1038/s41591-019-0450-2 

Journal: Nature Medicine [IF 32.621]

First Authors: Jennifer M Fettweis 

Correspondence: Gregory A Buck

Affiliation: Department of Microbiology and Immunology, School of Medicine, Virginia Commonwealth University, Richmond, VA, USA.

Published: 2019-05-29

研究背景

每年全世界大约有 1,500 万的早产儿，早产除了母亲和婴儿遗传背景，基因和环境的相互作用对孕周的长短起到作用外，环境因子，包括微生物，对早产也起到了很重要的作用；虽然之前有研究报道生殖道微生物多样性的增加，加大了早产的风险，阴道 Lactobacillus crispatus 的丰度增加与早产的低风险有关。但是这些研究大部分基于欧洲人，而非洲女性和欧洲女性阴道微生物的组成具有显著的差异，因此需要进行群体特异的研究，以评估阴道微生物组对 PTB 的风险的广泛影响。

研究结果

1iHMP多组学微生物孕期队列介绍

The Multi-Omic Microbiome Study: Pregnancy Initiative（MOMS-PI）项目一共纳入了 1,572 位孕妇志愿者，进行了超过 7,000 次随访，收集了母亲和婴儿 22 个部位的样品，其中包括生殖道，子宫颈，口腔，直肠，胎盘，胸腔；收集了 16S rRNA、宏基因组、宏转录组、细胞因子谱、脂质谱组学数据（图1）。

整个项目从这些孕妇及其婴儿中采集了 206,437 个样品，筛选了 597 位孕妇测得了 12,039 份数据，具体样品数据见下表。

图 1. MOMS-PI resources.

2生殖道微生物的概况显示与早产趋势 

本研究报道了 MOMS-PI 项目中 早产（Preterm birth，PTB）队列研究结果。PTB 组的平均孕期为 34，0/7；足月产（Term Birth，TB）组平均孕期为 40，0/7。本研究选择的个体，表型除了早产史，胎膜破裂情况在早产组高之外，其他均没有显著的差异。

该队列主要包括非裔美国女性（约 78％），年收入中位数低于 20,000 美元，平均年龄为 26 岁（见下表）。

• 阴道微生物 16S rRNA 横向分析

首先是阴道微生物的多样性，TB 和 PTB 两组整体的多样性存在显著差异，但细分到不同的孕期，差异不显著。

图 2. Alpha diversity measures for PTB and TB cohorts

接着是微生物物种差异(图3)。TB 的生殖道微生物更多个体以 L. crispatus 为优势物种，而在 PTB 中，以 BVAB1为 优势的个体要多于 TB，且没有优势物种（No type）的个体也多于 TB；

Sneathia amnii  和 BVAB1 在 PTB 中丰度较高，已有文献报道与 PTB 有关；

在孕中期前的样品中发现了两个与生殖道健康相关的物种（Megasphaera type 1 和TM7-H1）在 PTB 具有较高的丰度，这是第一次报告了 TM7-H1 与 PTB 有关。

图3. Bacterial taxa associated with spontaneous PTB. 

然后作者评估了运用这些差异物种构建疾病预测模型的效果。

通过 L1-regularized logistic regression 将权重给到物种构成的早产预测模型，灵敏度和特异性分别为 77.4% 及 76.3%，精度和灵敏度比单用临床数据高出 5-7%，但 AUC 略有减少。这模型含的 4 个物种：S. amnii、BVAB1、Prevotella cluster 2 和 TM7-H1。这 4 个物种均与早产呈正相关，与生殖道失调相关的物种呈正相关（图 4）。

图4. Bacterial taxa associated with spontaneous PTB. Taxa abbreviations: Lcricl, L. crispatus cluster; BVAB1, Lachnospiraceae BVAB1; Pcl2, Prevotella cluster 2; Samn, S. amnii; Dcl51, Dialister cluster 51; Pamn, P. amnii; BVAB2, Clostridiales BVAB2; CO27, Coriobacteriaceae OTU27; Dmic, Dialister micraerophilus; P142, Parvimonas OTU142.

• 阴道微生物 16S rRNA 纵向分析

作者再将横向研究结果扩展到纵向研究分析中，结果发现，许多在横断面确定为与 PTB 相关的物种，在纵向分析中也与 PTB 有关，除了两个在 TB  丰度增加的 Lactobacillus 外，其他物种在 PTB 个体的孕期期间整体呈下降趋势，而这些物种在 TB 个体的孕期较为稳定。

血统分层的结果显示，与 PTB 相关的物种主要在非裔 PTB 个体的孕期变化，欧裔 PTB 个体的微生物组成比较稳定。

这些结果表明生殖道微生物的动态变化因血统而异，非裔妇女在整个妊娠期微生物的降低更为显著。

图5. Longitudinal GAMM of vaginal microbiome composition during pregnancy.

• 阴道微生物宏基因组和宏转录组的研究

此外，MOMS-PI PTB 研究还对 496 个纵向样品进行了宏基因组测序，243 个进行了宏转录组测序，以研究微生物物种功能的变化。

结果显示（图6），除了 L. crispatus 为优势物种的个体，其它个体的功能组成相似。

UDP-N-acetyl-d-glucosamine（氨基葡萄糖）合成通路在 L. crispatus 为优势物种的个体丰度更高。它是肽聚糖的前体，可能与通过 toll-like 通路调节宿主细胞因子的产生有关。

丙酮酸发酵为醋酸盐和乳酸盐和磷酸戊糖途径的非氧化分支在 L. crispatus 为优势物种的个体中较低，与之前报道的细菌性生殖道疾病个体中乳酸降低，SCFA 浓度增加一致。

图 6. Metabolic pathway abundance by vagitype. 

3组装与早产有关的微生物物种

本研究找到了物种 TM7-H 1和 BVAB1 与早产密切相关，但是目前尚未有这两个物种的基因组，于是作者分别选择了富含这两个物种的样品分别通过 Pacbio 和 Illmina 数据组装了 TM7-H1 和 BVAB1 基因组。

• BVAB1 的基因组大小约为 1.45M，属于 Lachnospiraceae，Clostridiales，与目前已知基因组没有太相似的物种；

• TM7-H1 的基因组大小与为 0.72M，不属于 Candidatus Saccharibacteria，与已知的口腔 TM7x 的相似度只有 66%，缺乏从头合成必须氨基酸的能力，可能依赖生殖道的其他生物生存；

两个物种都能产生 pyruvate, acetate, l-lactate 和 propionate；BVAB1 还能编码产生acetaldehyde, d-lactate, formate  和  acetyl-CoA；两者都没有 tricarboxylate cycle。短链脂肪酸的产生与促炎状态有关，可能与疾病有关。

4宏基因组和宏转录组中与早产有关的细菌

接下来，作者再次关注了与早产相关的细菌在三个组学（16S rRNA、宏基因组和宏转录组）数据特征。

结果表明，虽然物种的比例在不同的数据类型结果中有所差异，但是总体的趋势来说，物种在这个 3 种数据上是一致的（图7）。

图7. Comparison of the proportional abundance of taxa by 16S rRNA (left), metagenomics (middle) and metatranscriptomics (right) in term (blue) and preterm (red) cohorts.

此外，在 16S 分析结果中，与 PTB 相关物种，在宏转录组的数据中同样在 PTB 组具有更高的基因转录水平（红色点），而 L. crispatus 则在 TB 中具有更高的转录水平（蓝色点）。宏基因组数据表现出相似的结果，但是显著差的基因比宏转录组少很多。

图8. Volcano plot depicting transcripts that differ greatly between term and preterm cohorts in metatranscriptomics data for taxa of interest.

此外，作者还预测了宏转录组中的分泌蛋白。数据表明，预测的分泌蛋白中 81% 在 PTB 具有更高的转录丰度，且都由有 PTB 相关的物种分泌，但这还需要进一步验证这些基因是否有助于微生物介导引起疾病或者 PTB。

图9. Genes predicted to encode secreted proteins or to be involved in bacterial secretion systems in metatranscriptomics and metagenomics datasets.

5早产的宿主的细胞因子的表达情况

为了探究细胞因子在妊娠发展到 PTB 中的作用，研究检测了 9 种细胞因子，包括了interleukin (IL)-1β, IL-6, IL-8, eotaxin, tumor necrosis factor (TNF)-α, IL-17A, macrophage inflammatory protein (MIP)-1β, interferon-γ-induced protein (IP)- 10/chemokine ligand (CXCL)10, RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted)，其中 4 个（IL-1，IL-6，MIP-1，IP10/CXCL10）在 PTB 组丰度显著增加。并通过了 sCCA（sparse canonical correlation analysis）评估 9 种细胞因子与特定细菌分类群的丰度水平之间的关系。在 TB 组，L. crispatus 与几个 PTB 或者生态失调有关的物种具有很强的负相关；细胞因子彼此之间以及和 PTB 失调相关的细菌的相关性比较松散；在 PTB 组，细胞因子和一些失调相关的物种形成紧密的簇，表明具有很强的正相关。

图10. Sparse canonical correlation analysis. a,b, Cytokine abundance in vaginal samples from women who experienced TB (n = 90) (a) or PTB (n = 41) (b)

6交叉研究比较生殖道微生物组和早产

最后，作者还将本研究结果和其他 3 个研究早产的队列进行了交叉比较，但由于只选择自然早产的样品，按 1：2 的比例配对 TB 和 PTB ，符合条件的样品数目非常少。

此外，本研究找到的差异物种，在其他队列中并不显著，可能原因是 PTB 是一种具有多种潜在致病因素的综合症，生殖道上升的微生物可能只对某些亚型有致病作用，但可能不会在全部的 PTB 中起作用。

图11. Proportional abundance shown as a log scale of candidate taxa identified in the present study across four PTB cohorts.

M菌 · 笔记

• 值得注意的是本研究是偏向非裔孕妇，而且发现非裔和欧裔孕妇本身就存在显著差异，所以不是所有的研究放在四海皆准的

• 本研究的 16S rRNA 、宏基因组和宏转录组的比较结果为如何选择三个组学数据提供一个很好的参考

参考文献

Serrano M G, Parikh H I, Brooks J P, et al. Racioethnic diversity in the dynamics of the vaginal microbiome during pregnancy[J]. Nature medicine, 2019: 1.

推荐阅读

撰稿 | Yufen & 三明治    责编 | NSC

本文系菌探Momics（ID：Momics）原创，欢迎个人转发分享。其他任何媒体、网站如需转载，须在正文前注明来源菌探Momics。

.

END

菌探Momics

    微信号：Momics

 探索 · 分享 · 合作

点击“阅读原文”，阅读英文原文