基于微生物共现网络分析溃疡性结肠炎肠道核心菌群及功能变化

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[目的]:揭示溃疡性结肠炎(Ulcerative Colitis,UC)肠道菌群群落的组建机制、阐明生态功能变化,并挖掘UC发病相关核心菌群,为以肠道菌群为基础的UC靶向诊断及治疗提供科学依据。[方法]:以UC及UC健康配偶为研究对象,收集肠道粘膜进行16s rRNA V3-V4高变区测序。分别从粘膜整体群落、主门、核心/边缘网络(Core/Periphery network,CPN)三个层次上对UC组及UC健康配偶组间进行物种α多样性、β多样性差异分析。建立肠道菌群物种共现网络(Species co-occurrence network,SCN),比较两组共现网络拓扑结构差异,通过功能基因注释及生物信息标记算法中菌群网络正负比例的计算,阐明UC肠道菌群间的交互方式并寻找与发病关键菌群。[结果]:1.在整体群落水平上,健康配偶组与UC组间的粘膜微生物群Hill数无差异(P>0.05)。主门水平上,UC组中的厚壁菌门(Firmicutes)及拟杆菌门(Bacteroidetes)Hill数较配偶组下降(P<0.05)。在核心/边缘网络水平,UC组核心物种Hill数明显高于健康人(P<0.05),且差异随q的增大而增大。2.两组间整体群落及厚壁杆菌实际共有操作分类单元数(Operational Taxonomic Units,OTUs)与随机预期共有OTUs数无差异;拟杆菌门及变形菌门实际共有OTUs数明显小于随机预期共有OTUs数(P<0.05)。无论是核心物种还是边缘物种,实际共有OTUs数均小于随机预期共有OTUs数(P<0.05)。3.整体群落水平上,UC-SCN中的节点正负连接比率(positive-to-negative links ratio,P/N)升高,是Healyhy-SCN的5倍。UC-SCN门水平,以厚壁菌门内部及厚壁菌门和变形菌门间负性连接数量下降为主,减少至Healyhy-SCN的一半以下。核心物种及边缘物种负性连接数量均出现下降,核心物种下降更明显。4.第三梭状芽胞杆菌(Clostridium tertium)、内脏臭气杆菌(Odoribacter splanchnicus)、活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)、普氏梭杆菌属(Flavonifractor plautii)在UC组及健康组中丰度差异大,且在健康组SCN中P/N 比<0.5,而在UC-SCN中P/N显著升高。[结论]:1.UC肠道菌群多样性变化表现与研究所选择的菌群分类尺度相关。在整体群落水平上,UC黏膜菌群多样性变化不大,而在门水平变化显著。此外,核心/边缘网络水平物种多样性发生改变,可作为揭示UC菌群多样性变化模式研究的新尺度。2.UC-SCN的P/N升高显著,表明UC丧失了对某些潜在机会性“致病菌”的抑制能力。3.发现4种对UC的诊断和治疗有潜在意义的机会“致病菌”:第三梭状芽胞杆菌(Clostridium tertium)、内脏臭气杆菌(Odoribacter splanchnicus)、活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus)、普氏梭杆菌属(Flavonifractor plautii),它们在健康个体受抑制,但在UC中显著富集。
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