雙歧桿菌及對應噬菌體在母嬰中的垂直傳播

最新 07-20

導讀

腸道菌群的建立形成於生命之初，但對於嬰兒腸道菌群的來源各說紛紜。雙歧桿菌是新生兒腸道中最初的微生物，並且對調節粘膜與先天免疫具有重要作用。本研究選取25對母嬰，通過ITS、De Nove和宏基因組測序以及菌株分離培養的方法，測定雙歧桿菌群落組成，證明了雙歧桿菌的垂直傳播及其原因，並且鑒定出雙歧桿菌菌種特異性噬菌體，首次證實雙歧桿菌噬菌體bifidophages的垂直傳播路徑。本文為大規模研究微生物垂直傳遞的途徑及其對嬰兒後期微生物發育的影響奠定了基礎。

文獻ID

題目：Maternal inheritance of bifidobacterial communities and bifidophages in infants through vertical transmission

譯名：通過垂直傳播，嬰兒繼承母系遺傳的雙歧桿菌群落和雙歧桿菌噬菌體

期刊：Microbiome

發表日期：2017年6月IF：8.496

通訊作者：Marco Ventura

單位：帕爾馬大學生物基因組學的實驗室

材料與方法

研究對象

25對母嬰（母親年齡18-40歲，未服用過任何益生菌和抗生素，身體健康）

樣品

母親糞便（分娩時或分娩後短時間內）

嬰兒糞便（取自兩個時間點：出生後第7天，出生後一個月）

母乳（取自兩個時間點：嬰兒出生後第7天，出生後一個月）

採集的樣本立即保存於?20°C並冷凍運送至實驗室，提取糞便及母乳中的DNA。

測序手段

ITS測序：全部樣本

De Nove測序：14個樣品（從母嬰糞便及母乳中分離到的14株雙歧桿菌）

宏基因組測序：3個樣本（嬰兒糞便樣本，前期實驗已證實其腸道中多種雙歧桿菌來源於母親）

測序平台：Illumina MiSeq測序平台

其他分析

菌株分離篩選、菌株發酵性能研究，qPCR定量分析等

研究成果

1、嬰兒腸道雙歧桿菌組成

嬰兒腸道雙歧桿菌主要包括Bifidobacterium longumsubsp.Longum、

Bifidobacterium breve、Bifidobacterium bifidum、Bifidobacteriumlongumsubsp.Infantis、Bifidobacterium adolescentis、Bifidobacterium pseudocatenulatum。這些菌株與已知菌株相似性低於93%，嬰兒腸道中不僅包括典型的嬰兒雙歧桿菌如B. breve、B. bifidum和

B. pseudocatenulatum，也有與成人相關的雙歧桿菌如B. adolescentis、B. catenulatum，這一發現說明了基於年齡的生態劃分是無效的或者不是絕對的，成人與嬰兒可能共享微生物。

圖1. 嬰兒糞便樣本中雙歧桿菌熱圖分析

熱圖底部條形圖顯示了用qPCR方法檢測到的每個樣本中雙歧桿菌與總細菌的比例。

2、母嬰共有OTUs

為了探索雙歧桿菌是否通過母乳傳遞給嬰兒，比較分析了母嬰糞便及母乳的ITS測序數據，多種普遍的雙歧桿菌如B. breve、B. longum spp.、B. bifidum、B. adolescentis、B. dentium和B. pseudocatenulatum同時在母嬰糞便與母乳中檢出。

圖2. 每一組樣本的雙歧桿菌菌群的熱圖分析

熱圖代表了每個樣本中雙歧桿菌的相對丰度，左邊為所有已知和假定雙歧桿菌新種。

值得注意的是，基於ITS的的OTUs在不同的樣本中是一致的，因此用分離培養的方法證實這些完全相同的雙歧桿菌菌株是母嬰垂直傳播的，以25對母嬰的糞便及母乳為樣本分離培養菌株。並用PCR擴增16s RNA基因鑒定出14株雙歧桿菌菌株，對該14株雙歧桿菌菌株de nove測序，根據序列中特殊基因設計引物，以母親樣本為模板進行PCR擴增，結果發現嬰兒糞便中分離的菌株對應母親的糞便樣本。證實嬰兒雙歧桿菌通過母性垂直來傳播。

3、嬰兒腸道中早期的雙歧桿菌的遺傳適應性

母乳不僅向嬰兒腸道傳遞微生物，而且向這些微生物提供營養物質。人乳中含有非常多的聚糖，包括乳糖和HMOs，是嬰兒腸道中分解糖類的微生物尤其是雙歧桿菌的重要的碳源及能源，然而並不是所有的雙歧桿菌都有利用這些糖的基因。為了鑒別這些菌株是否利用母乳低聚糖（HMO）或HMO來源的葡聚糖，比較分析了各菌株編碼各種酶類的情況，並通過在培養基中添加不同種類的糖來培養這些菌株以檢測它們的發酵性能，發酵實驗與基因預測結果表明母乳中分離的雙歧桿菌菌株可利用HMO或HMO來源的葡聚糖，這一特性支持母乳介導的雙歧桿菌傳播。

圖4. 垂直傳播雙桿菌菌株降解HMO的能力

a：編碼降解和運輸HMO的酶基因的缺失/存在。紅色代表基因存在，黑色代表基因不存在。b：菌株在HMO來源的葡聚糖中的生長情況。黑色：OD600 nm< 0.3，黃色：0.3< OD600 nm< 0.5，淺綠色：0.5< OD600 nm< 0.8，綠色：OD600 nm > 0.8。

5、通過生物信息學分析重構共享雙歧桿菌的基因組

為了驗證嬰兒糞便樣本中的雙歧桿菌與相應的母親的糞便及母乳中菌群相一致，宏基因組分析雙歧桿菌大量垂直傳播的三個嬰兒樣本(TVPR-01，TVPR-02，TVPR-03），宏基因組測序結果表示TVPR-01、TVPR-02和TVPR-03三個樣本中各2.09%、9.02%、12.16%的reads屬於雙歧桿菌，TVPR-01中1.56%的reads屬於B. breve，TVPR-02中6.16%的reads屬於B. dentium，TVPR-03中8.21%的reads屬於B. dentium。

6、母親向嬰兒傳遞雙歧桿菌噬菌體

通過宏基因組學數據，鑒定出雙歧桿菌菌種特異性噬菌體，首次證實雙歧桿菌噬菌體bifidophages的垂直傳播路徑。