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新思路 | 全基因组图谱分析宿主基因与皮肤微生物互作关系
发布日期：2017-07-19浏览：
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背景介绍：本文于2013年发表在《Nature Communications》上，重点关注宿主基因组与皮肤微生物组之间的相互影响，为慢性炎症性皮肤病的预防和治疗提供理论依据和参考。
文章摘要
慢性炎症性疾病的易感性主要取决于遗传免疫和环境中的高危因素等。定殖微生物群体在健康及疾病人群中往往存在着差别，但这些差异是原发性的还是由于炎症环境变化产生的继发性表现仍知之甚少。本研究中，基于小鼠的大疱性皮肤松解症（自身抗体诱导的炎症性皮肤病）疾病模型，提供了宿主基因组和菌群互作的证据。研究采用高代杂交系（AIL-G4），明确了可导致皮肤微生物群落变化、皮肤起泡易感性等表征的基因位点。此外，通过将细菌种类丰度作为疾病的协变量，研究中也发现了一个新的疾病相关位点。而大多数确定为与疾病相关的协变量因素的微生物类群，呈现出一个特点：其丰度的下降与疾病风险的增高相关，这一点提供了微生物具有疾病预防作用的证据。这些益生菌菌种或益生菌组合的特点，证实其在疾病预防及治疗方面的发展潜力。
材料方法
1. 小鼠亲本MRL/MpJ, NZM2410/J, BXD2/TyJ，Cast用于构建高度杂交系，取第四代6月龄小鼠261只（135只公鼠，126只母鼠）开展本研究。
2. 建立小鼠EBA（大疱性表皮松解症）模型，183只免疫性小鼠（其中64例发展为EBA）及78只非免疫性小鼠用于QTL作图。
3. 取261只小鼠耳后皮肤微生物样本提取DNA及RNA，16s测序V1-V2区（27F-338R），454平台测序，平均每个样本5732条序列。
4. 进行小鼠皮肤微生物鉴定及丰度统计。
5. Illumina murine HD Array用于261只G4小鼠的SNP分型，获得1449个SNP位点信息（1199个置信位点）。
6. 开展样本的α及β多样性分析。
结论
1. 通过16s测序技术，可以看出健康小鼠皮肤微生物较患病小鼠的微生物物种丰富度高（Fig.1）。从不同样本的菌群构成及结构上看，两种模型之间呈现显著性差异（Fig.2）。通过核心物种分析，获得小鼠皮肤微生物组的133个的核心物种（CMM）,这些核心物种相关序列将近占到物种总序列数的80%。
Figure 1 | Chao1 species richness. Figure 2 | Constrained analysis of principal coordinates of the Jaccard index.
2. 皮肤微生物组的QTL分析。对皮肤菌群分布可能的干扰引物进行分析发现，分笼和家群因素对CMM影响的贡献度分别是28%和3%,未发现性别因素对此有显著影响。而通过对1199个SNP位点与CMM 的共线性分析发现，宿主基因组对皮肤微生物分布有重要的影响（Fig.3）。研究中发现9个种水平OTU相关QTL位点（spQTL）和6个门到属水平QTL位点（gpQTL），其中两个spQTL与gpQTL重叠，另有13个Unique QTL被检出。另外，研究中还发现spQTL和gpQTL中分别有5个和4个位点与先天性免疫相关。
Figure 3 | QTL mapping of skin microbiota.
3. 在疾病易感性中的基因与微生物协方差分析。为研究疾病状态下宿主基因组变异对皮肤微生物丰度的潜在性影响，研究中对183例免疫性小鼠重新进行分析，结果发现没有与EBA显著性相关的QTL,这或者与样本量减少有关（Fig.4a）。然而，由于物种的丰度并不是一个明确的遗传因素，所以研究中对131个CMM物种丰度和EBA易感性进行协方差分析以探明疾病易感性与微生物之间的潜在互作关系，结果找到了一个显著的协变量位点，其中10个CMM增强了EBA QTLs的检出（Fig.4b）。葡萄球菌（Staphylococcus）属的两个OTU在基因-细菌互作中起作用（Fig.4c）。另外，研究结果还表明在大部分情况下动物发展成EBA的比例升高与低丰度OTU类群相关（Fig.4d）提示关注益生菌的作用。
此外，大量的协变量宿主基因组位点相关细菌物种提示，单个微生物可能并不能单独作用，所以研究中又进行了两两相关分析（Fig.5），不同物种之间显著的正相关关系表明宿主的基因座位和单个细菌或菌种组合之间的互作关系。
参考文献：Srinivas G, Möller S, Wang J, et al. Genome-wide mapping of gene–microbiota interactions in susceptibility to autoimmune skin blistering[J]. Nature communications, 2013, 4.
