类风湿关节炎肠道微生物菌库揭示核心微生物物种及其对宿主炎症和自身免疫反应的影响
研究论文
● 期刊:iMeta(IF 23.7)
● 原文链接DOI: https://doi.org/10.1002/imt2.242
● 2024年10月3日,山东大学微生物技术国家重点实验室和青岛大学附属医院等在iMeta在线联合发表了题为“The Rheumatoid Arthritis Gut Microbial Biobank Reveals Core Microbial Species that Associate and Effect on Host Inflammation and Autoimmune Responses”的文章。
● 本研究通过大规模培养组学技术方案分离培养了类风湿关节炎肠道微生物菌株,建立了类风湿关节炎肠道微生物菌株资源库,定义了RA肠道核心微生物组,分析发现、并实验验证了核心物种对宿主炎症和免疫反应的影响,为未来研究类风湿关节炎病因和疾病进程,提供了多样的肠道微生物资源,并为类风湿关节炎早期发现、干预和治疗,提供了有前景的生物医学实践的潜在新靶点。
● 第一作者:黄浩杰
● 通讯作者:刘双江(liusj@sdu.edu.cn)、刘斌(binliu72314@163.com)、张磊(zhanglei7@sdu.edu.cn)
● 合作作者:刘畅、孙鑫炜、魏瑞琪、刘伶伟、陈昊昱、热西丁·阿不都艾尼、王长钰、王晓萌、蒋荷、牛晗羽、冯立娟、贺嘉惠、姜宇、赵燕、王玉琳、舒强、毕明霞
● 主要单位:山东大学微生物技术国家重点实验室、中国科学院微生物研究所、青岛大学附属医院、山东大学公共卫生学院、山东大学齐鲁医院
● 构建了类风湿关节炎来源的肠道微生物菌株资源库(RAGMB),包含代表280个物种的601株细菌(包括43个首次培养、鉴定和命名的新物种);
● RAGMB覆盖了分离样本中93.2%的中高丰度肠道微生物物种;
● RA肠道核心微生物由20种细菌组成,其中Mediterraneibacter tenuis和Eubacterium rectale与临床指标如ESR和IL-10显示出显著相关;
● 动物实验验证了RA核心物种Mediterraneibacter tenuis和Eubacterium rectale可以加剧宿主炎症反应,包括引起结肠缩短、脾脏肿大和血浆细胞因子的变化。
肠道微生物失调已被认为参与了类风湿关节炎(RA)的发生,并影响了疾病进程。尽管分子生物学和免培养测序分析已经揭示了RA患者肠道具有核心微生物组和特征细菌物种,但由于缺乏可用的培养细菌菌株,其功能研究受到了限制。本研究旨在建立一个RA来源的肠道微生物菌株资源库(RAGMB),并进一步分析和验证核心微生物对临床上炎症和免疫指标的影响。我们从20名RA患者的粪便样本中,通过7种改进的和11种传统的细菌培养方法分离获得了3200个细菌分离株。对分离株进行系统发育分析、分类鉴定和筛选后,保藏于RAGMB。RAGMB中包含601个细菌菌株,代表了涵盖7个细菌门的280个物种(其中包括43个新物种)。RAGMB在物种水平上覆盖了分离样品中93.2%的中高丰度(相对丰度≥0.2%)的物种。RA肠道核心微生物组包括20种细菌,其中Mediterraneibacter tenuis和Eubacterium rectale是与临床诊断指标如红细胞沉降率(ESR)和IL-10显著相关的两个物种。因此,选择了M. tenuis和E. rectale在普通和DSS处理的C57BL/6小鼠两种模型中进行实验。结果表明,M. tenuis和E. rectale均加剧了宿主的炎症反应,包括结肠缩短、脾脏肿胀、血浆中IL-10水平下降和IL-17A水平升高。综上所述,我们建立了RAGMB,定义了RA肠道核心微生物组,并验证了核心微生物物种对宿主炎症和免疫反应的影响。这项工作为未来关于RA病因的研究提供了多样的肠道微生物资源,并为新型生物医学实践提供了潜在的新靶点。
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引 言
类风湿关节炎(RA)是一种与进行性残疾、系统性并发症、早逝和社会经济成本相关的炎症性自身免疫疾病。RA 的病因和预后尚不明确,但宿主的遗传、肠道微生物和环境因素均参与 RA 的发病。越来越多的证据支持肠道微生物在 RA 的病因和进程中发挥重要作用。早期研究显示 RA 患者的肠道微生物存在改变和失调,普遍认为肠道微生物的失调通过影响免疫细胞亚群的分化而诱发关节炎。随着促炎细胞的发展,局部炎症级联反应导致组织损伤和全身性自身免疫。研究表明,肠道微生物及其代谢物和毒力蛋白可以影响宿主免疫反应或者改变关节炎动物模型中的自身免疫。例如Prevotella copri(Pvt. copri)和Fusobacterium nucleatum在 RA 患者中富集,并且会加重 RA 的症状。而Parabacteroides distasonis 在 RA 患者中减少,且具有缓解RA症状的作用。近年来,肠道微生物被视为关节炎医疗实践的新靶点。
近些年免培养的宏基因组研究极大地促进了对肠道微生物和人类 RA 关联的理解。然而,关于肠道微生物与宿主相互作用的因果关系和机制的进一步研究仍需要可培养的微生物资源。近年来,已开展了一些对肠道微生物菌株的培养和收集工作,并建立了肠道微生物资源库,如 BIO-ML、CGR、CULTUROMICS、HBC 和hGMB。这些肠道微生物资源库对宿主健康的因果机制研究具有重要贡献,例如,来源于 hGMB 的菌株被应用于肠道微生物群与肥胖、心血管疾病、非酒精性脂肪性肝炎和自闭症谱系障碍的研究。除了包括从患者(如厌食症、肥胖、营养不良和艾滋病)收集微生物菌株的 CULTUROMICS 外,目前大部分已建立的肠道微生物资源库中的菌株主要来源于健康供体。因此,针对病人的微生物菌株资源在现有肠道微生物资源库中仍显不足。同时,一些研究揭示了疾病人群的肠道微生物群在物种和菌株水平上与健康人群存在差异。例如,来自 RA 患者肠道的 Pvt. copri 菌株与来自健康个体的Pvt. copri 菌株在基因组上存在差异,这种差异可能与 RA 的发生有关。
在本研究中,我们建立了一个 RA 来源的肠道微生物菌株资源库(RAGMB)。RAGMB 广泛覆盖了中高丰度和低丰度的 RA 肠道微生物。我们还定义了一个由20种细菌物种组成的 RA 核心肠道微生物组,并将核心物种与RA临床使用的指标和预后进行了关联。最后,我们发现两个最相关的核心物种 Mediterraneibacter tenuis 和 Eubacterium rectale 能加重小鼠的炎症反应。
结 果
细菌培养、RAGMB的构建及来自RA患者的43个新物种
多数肠道微生物在实验室中难以进行培养,而针对特定物种的培养就更具有挑战性。因此我们通过以下方式对RA粪便样本中的肠道微生物的培养进行了深入的改良:1)挖掘基因组数据并提取与细菌生长相关的信息。我们设计了一种新培养基mX(表S1),以木聚糖作为唯一碳源,用于培养Prevotella和Bacteroides物种,这些成员被报道在RA中具有代表性;2)应用多种培养基、多种样本预处理方法和不同的培养条件,以提高培养细菌株的多样性。在本研究中,我们共应用了18种方法/组合,包括7种改进的方法和11种传统的方法(表S2)。通过这些方法,我们从20名RA患者的粪便样本中获得了3200个微生物分离株(表S3)。
所有3200个分离株均进行了16S rRNA基因测序,并被分类为7个门,即Bacillota、Bacteroidota、Actinomycetota、Pseudomonadota、Synergistota、Verrucomicrobiota和Fusobacteriota。使用我们之前建立的最小多相分类鉴定程序,对这些细菌分离株进行了分类鉴定。结果显示,采用7种改进的方法成功培养了169个物种,涵盖了所有7个门,包括在肠道微生物组中出现频率较低的Synergistota、Fusobacteriota和Verrucomicrobiota物种。相比之下,采用11种传统方法获得了203个物种,涵盖了5个门。其中有67个物种被两种方法同时分离得到,因此我们获得了305个不同物种(图1A)。在后续培养过程中,有25个物种无法继续传代培养。最终,我们成功将代表280个物种的601个菌株保存在RAGMB中,同时也存放在CGMCC。RAGMB中的601个菌株(280个物种)覆盖了7个不同门中的36个科的135个属(图1B,表S4),其中包括43个新物种。关于这280个物种的更多信息(分类学和16S rRNA基因序列;所有新物种的表型和基因组描述)可在RAGMB网站(https://www.nmdc.cn/ragmb/)上获取。
对43个新物种进行了基因组测序,其表型特征在Table 1中描述(更多结果见“Supplementary Taxon”)。它们属于33个属(包括11个新命名的属),13个科。其基因组大小范围为1.87 - 7.04 Mb,GC含量范围为30.3% - 62.1%(见表S5)。这些新物种的细胞形态各异,包括长杆状、短杆状、梭杆状、卵圆形、球形或球菌形。其中Waltera fermentans HA1509T的特征是在细胞中间形成直径约1.5 μm的球形结构(见Supplementary Taxon,图ST-35D)。通过测定这些物种的短链脂肪酸(SCFAs)生产情况,结果发现5种Blautia属的新物种(Blt. arthitidis、Blt. flagellata、Blt. immobilis、Blt. longa和Blt. ovalis)、Eisenbergiella longa、Faecalibacillus hominis、Waltera fermentans及其它多种新物种能够生产乙酸,而Parabacteroides propionicigenes和Blt. longa则能生产丙酸;Eisenbergiella hominis和Blt. longa同时能生产乙酸和丁酸,Parabacteroides propionicigenes、Butyricimonas recta和Pyramidobacter arthritidis则产生异戊酸(见图1C,SCFAs生产的更多数据见表S6)。其中,Blt. immobilis菌株HA0440T展现出了最高的乙酸产量(751.7 μg/mL);Parabacteroides propionicigenes菌株HA3406T展现出了最高的丙酸生产量(1100.3 μg/mL);Waltera fermentans菌株HA1509T展现出了最高的丁酸生产量(99.3 μg/mL)。这些新物种不仅在本研究的RA队列中分布,也广泛存在于健康人群中。在健康人群中,这43个新物种的流行率范围为0.08% - 99.2%。统计分析显示,35个新物种在RA队列与健康人群之间的分布存在显著差异(见图1C,表S7、S8)。
我们将新建立的RAGMB与4个先前报导的健康人类肠道资源库进行比较,即hGMB、CGR、BIO-ML和HBC。这5个微生物资源库共收集了833种非冗余的可培养细菌物种。RAGMB提供了121种未包含在上述4个资源库中的独有的肠道物种(见图1D)。尤其是,RAGMB提供了8个属于Synergistota门的菌株(HA0508、HA0551、HA0566T、HA0738、HA1485、HA2243、HA2245、WZ17)。这8个菌株代表4个物种(Cloacibacillus porcorum、Cloacibacillus evryensis、Pyramidobacter piscolens和Pyramidobacter arthritidis),它们首次被储存于人类肠道微生物资源库。
图1. RAGMB的构建及大规模细菌分离与培养
(A)右侧部分显示了通过11种传统方法分离的39个科中的203个物种,左侧部分显示了通过7种改进方法分离的7个门中的34个科的169个物种。维恩图展示了两种方法分离物种的组成差异。(B)显示了保存在RAGMB中的601个菌株的系统发育。分支图的背景根据7个门进行显示。外环的柱子表示每个物种的保存菌株数量。红色物种代表本研究中提名的新物种。(C)显示了RAGMB中43个新物种的短链脂肪酸产生情况,以及这43个新物种在RA队列(n = 96)和健康人群(n = 1153)中的丰度。通过Wilcoxon非参数检验评估RA与健康人群之间的丰度差异。符号***、**和*分别表示p值<0.001、0.01和0.05。(D)韦恩图显示了5个大型肠道微生物资源库及其在物种水平上的重叠数量。
RAGMB覆盖了RA患者中高丰度和低丰度的细菌类群
我们提取并测序了20个RA粪便样本的宏基因组,共获得248.39 Gb的Raw Data,每个样本的平均Raw Reads为82,797,006(见表S9)。对DNA序列进行了质量控制和分箱,组装和注释了MAGs。分类注释识别出7个细菌门和1个古菌门。其中Bacillota门占总读数的52.3%,是最高的,其次是Bacteroidota、Actinomycetota和Pseudomonadota。这四个门合计占总读数的98.1%。还检测到Verrucomicrobiota、Euryarchaeota、Synergistota和Lentisphaerota,但丰度非常低(合计<2%)。值得注意的是,我们从样品中分离培养了Fusobacteriota物种,但在宏基因组序列中未检测到。在科水平,总共注释了58个科,图2A展示了每个样本中丰度最高的10个科。在这10个科中,Lachnospiraceae、Ruminococcaceae、Bacteroidaceae和Eubacteriaceae尽管它们在不同样本中的丰度有所变化,但在所有RA样本中均存在。而Bifidobacteriaceae和Prevotellaceae的丰度在不同样品中显示出了明显差别。在属和种水平,总共检测到132个属和480个种。其中,有81个属(61.4%)和135个种(28.1%)与RAGMB中保存的物种相匹配。惊人的是,有145个物种(51.8%)在RAGMB中保存,但未通过宏基因组方法检测到。
为了评估RAGMB对样品中细菌的代表性,我们首先根据RA样本中各分类群(属和种)的平均相对丰度进行排名,并定义平均相对丰度≥0.2%和≥1%的分类群分别为中等以上丰度和高丰度分类群。然后,我们计算了RA粪便宏基因组中RAGMB的覆盖率。在属水平,20个RA粪便样本中鉴定出33个中丰度和21个高丰度属。RAGMB覆盖了96.9%(32/33)的中丰度属和100%(21/21)的高丰度属(见图2B)。在种水平,20个RA粪便样本中鉴定出59个中等以上丰度和25个高丰度种。RAGMB覆盖了93.2% (55/59)的中丰度种和96.2% (25/26)的高丰度的物种(见图2C)。此外,RAGMB还覆盖了大量低丰度分类群(平均相对丰度0-0.2%)。在20个RA粪便微生物组中,有37.2%和48.5%的RAGMB储存的物种和属分别与低丰度分类群相匹配。我们发现有145个物种是RAGMB中存在的,但在宏基因组测序中未被检测到,这表明培养法和免培养的宏基因组方法是互补的。此外,7种改进的培养方法对的低丰度物种分离的比例(67.4%,58/86)明显高于11种传统培养方法(59.4%,61/101),这表明未来在肠道微生物培养方面仍有改进和优化的空间。上述结果表明,我们使用的RA肠道微生物分离策略不仅实现了对中等和高丰度细菌的高度覆盖,同时也覆盖了低丰度的细菌物种。
图2. 20个RA粪便样本的宏基因组分析及RAGMB对粪便微生物组在属和种水平的覆盖情况
(A)显示了20个RA粪便样本中前10个科的分布情况。(B和C)显示了RA肠道微生物组中RAGMB成员的相对丰度(颜色深浅)及其在属(B)和种(C)水平的覆盖情况。仅显示在20个RA样本中平均相对丰度(R.A.)> 0.2%的成员,右侧绿色标记表示保存在RAGMB中的物种和属。橙色代表本研究中分离的新属和新物种。
核心肠道微生物及其与类风湿关节炎临床指标的相关性
核心微生物组被定义为在两个或更多样本(如类风湿关节炎患者)或环境中共享的稳定和一致的组成部分,通常以特定的微生物分类单元进行测量。为探讨和定义类风湿关节炎的核心肠道微生物组,我们通过增加来自济南类风湿关节炎队列(n = 76)的宏基因组数据扩展了我们的20个类风湿关节炎数据集。扩展后的宏基因组数据 [n = 96(20 + 76)] 经过注释,用于提取类风湿关节炎肠道微生物组的核心分类群。结果显示,在类风湿关节炎宏基因组数据集中共注释出182个属和647个物种,其中RAGMB覆盖了88个属(48.6%)和157个物种(24.2%)。在DNA序列水平上,RAGMB基因组占扩展类风湿关节炎队列宏基因组的77.4%。这一结果表明,来自20个类风湿关节炎样本的RAGMB在更大类风湿关节炎队列中同样具有高度代表性。在本研究中,我们将平均相对丰度≥0.2%且平均流行率≥80%的分类群定义为主要分类群和常见分类群,而同时满足这两个条件的分类群则被定义为核心分类群。从扩展的类风湿关节炎宏基因组数据中我们识别出32个主导属、23个常见属和20个核心属。前五个核心属分别是Bacteroides、Faecalibacterium、Bifidobacterium、Eubacterium和Escherichia。RAGMB覆盖了所有20个核心属(100%)。在物种层面,从扩展的类风湿关节炎宏基因组数据中识别出26个常见物种、71个主导物种和20个核心物种。前五个核心物种为Faecalibacterium prausnitzii、Phocaeicola vulgatus(Bacteroides vulgatus)、Bacteroides stercoris、Escherichia coli和Bacteroides uniformis。RAGMB覆盖了18个核心物种(90%),其中包括4个新命名的物种Naizhengia acetigignens、Mediterraneibacter tenuis、Blautia longa和Vescimonas butyriciproducens。
为了探究核心物种与临床指标的相关性,我们应用Spearman相关性分析探讨核心物种与类风湿关节炎临床和预后指标之间的潜在关系。结果显示,Mediterraneibacter tenuis、Phocaeicola vulgatus、Bacteroides ovatus和Escherichia coli的丰度与红细胞沉降率(ESR)、C反应蛋白(CRP)、IL-8和TNF-α呈正相关。但大多数核心物种与类风湿关节炎临床诊断指标呈负相关。值得注意的是,Eubacterium rectale与临床指标(包括抗环瓜氨酸肽抗体(anti-CCP)、ESR以及细胞因子如TNF-α、IL-1β、IL-6和抗炎细胞因子IL-10)显示出显著的负相关性。核心物种Anaerostipes hadrus、Blautia longa、Faecalibacterium prausnitzii、Fusicatenibacter sacchanivorans、Parabacteroides merdae、Viscimonas butyriproducens和未培养的Subdoligranulum_sp与ESR、CRP、IL-6或IL-13表现出负相关性。值得注意的是,上述几个核心物种的丰度与类风湿关节炎患者的年龄显示出了相关性,例如,Anaerostipes hadrus、Blautia longa、Fusicatenibacter sacchanivorans和未培养的Subdoligranulum_sp与患者年龄呈负相关,而Phocaeicola vulgatus和Escherichia coli则呈正相关(图3C)。
图3. RA核心微生物组在属和种水平的分析,以及与RA临床指标的相关性及RA核心微生物种与临床诊断指标之间相关性的实验验证
(A和B)常见物种/属定义为其平均流行度(FO)> 80%,而优势属/种定义为其平均相对丰度(R.A.)> 0.2% [Log10 (R.A.(%)) > - 0.70]。面板(A)和(B)中的橙色背景突出显示同时满足优势和常见标准的核心属/种,这些分类群统称为RA核心微生物组。面板(A)和(B)中的条形图显示平均FO(%),箱线图显示平均R.A.(%)的Log10值,中心线表示中位数,箱体边界表示四分位数,须表示最小值到最大值。(C)红色表示正相关,蓝色表示负相关,白色表示无相关性。(D)红色、蓝色和灰色分别表示与PBS灌胃组相比的显著增加、显著减少和无显著性。橙色代表本研究中分离的新属和新物种;灰色表示未分离的物种。符号****、**、**和*分别表示p值 < 0.0001、0.001、0.01和0.05。
M. tenuis 和 E. rectale 加剧小鼠的炎症反应
为了验证核心微生物对类风湿关节炎(RA)的影响,我们选择了在本研究中定义的、与RA患者的炎症和免疫反应紧密相关的两个核心物种:M. tenuis 和 E. rectale,进行小鼠的口服灌胃实验。简而言之,实验分为两个部分(详细信息见图4A),一部分为DSS处理组(标记为DSS、DMT和DER),另一部分为未处理组(标记为CK、PMT和PER)。在第12天后,灌胃M. tenuis 和 E. rectale的DSS处理组(DSS、DMT和DER)体重显著下降,而未处理组(CK、PMT和PER)则稍微增加了体重(图4B)。未DSS处理组的DAI(疾病活动指数)评分相近,但DSS处理组的评分差异显著。灌胃M. tenuis 和 E. rectale的DSS处理组DAI评分显著增加(图4C)。在实验结束时,所有灌胃E. rectale的组(无论是否处理DSS)均表现出结肠长度显著缩短(图4D、E)和脾脏重量显著增加(图4F)。M. tenuis的灌胃对结肠长度的影响稍微温和,但在所有组(无论是否处理DSS)中仍观察到缩短(图4D、E),而在DSS处理组中脾脏重量显著增加(图4F)。这些结果表明,M. tenuis 和 E. rectale 加剧了小鼠结肠炎的发展,并改变了肠道免疫稳态。为了验证临床使用指标与核心微生物种类之间的关联(图3C),我们测定了灌胃M. tenuis 和 E. rectale的小鼠血浆中的炎症和免疫指标。结果如图3D所示。我们观察到,无论是否DSS处理,M. tenuis 和 E. rectale组的IL-10水平显著降低,而IL-17A水平显著升高(图4G、H),这清晰地表明了促炎信号的变化。此外,E. rectale的灌胃促进了IL-2和IL-12p70水平的增加(图4I、J)。
图4. RA核心物种M. tenuis和E. rectale在小鼠模型中促进宿主炎症反应
(A)实验过程示意图。(B和C)显示实验期间小鼠的体重变化和疾病活动指数(DAI)评分,须表示标准误差(SEM)。(D)展示不同组别在实验终点的结肠照片。(E和F)提供实验终点的结肠长度和脾脏/体重比,柱顶边界表示均值,须表示标准误差(SEM)。(G-J)显示实验终点小鼠血浆中IL-10(G)、IL-17A (H)、IL-2(I)和IL-12p70(J)的水平,中心线表示中位数,箱体边界表示四分位数,须表示最小值到最大值。CK组:纯水 + PBS;PMT:纯水 + M. tenuis;PER:纯水 + E. rectale;DSS:DSS水 + PBS;DMT:DSS水 + M. tenuis;DER:DSS水 + E. rectale。*p < 0.05,** p < 0.01,*** p < 0.001,以及**** p < 0.0001。
讨 论
截至目前,我们了解到之前建立的肠道微生物资源库主要关注健康人群,针对患者的肠道微生物株的培养和收集非常有限。本研究的目标是从类风湿关节炎(RA)患者中培养肠道微生物株,从而使这些株可用于基础和临床研究。因此,我们建立了RAGMB,即第一个代表RA患者肠道微生物群的资源库。鉴于RA患者肠道微生物与健康人存在差异,为了实现这一目标,我们改进了培养基(使用木聚糖作为唯一碳源)和样本预处理方法,并调整了培养方案,以收集RA丰富的肠道微生物,如Pvt. copri和Fusobacterium nucleatum。相比于这些细菌的新兴的培养技术,新开发的培养方案易于操作,并有效地培养了不仅是Pvt. copri和Fusobacteriota,还包括来自低丰度门的其它种类,如Synergistetes和Verrucomicrobiota。采用这一策略,我们分离并保存了代表280个物种,146个属的601个菌株,其中包括43个新物种和11个新属。这些多样的RAGMB中的菌株和物种为医学和基础研究提供了宝贵的生物资源,特别是在探索RA病因和开发新型的诊断及治疗方法的方面。我们观察到这43个新物种在RA患者和健康人群中广泛分布,且其中许多物种在RA患者和健康人群之间显示出不同的丰度。这些新物种无疑为RAGMB增添了价值,并扩大了寻找RA病原体和/或开发RA药物的新益生菌的细菌谱。目前,关于这些新物种中的几个的评估实验正在与临床研究团队合作进行。
在本研究中,我们提出并定义了RA核心肠道微生物(定义为平均相对丰度≥0.2%且流行率≥80%的成员)用于RA患者。核心物种是在宿主肠道中高度丰度且广泛存在的分类群。这些微生物可能会创造促炎和致病微环境,促进其它病原菌的存在和活性。核心物种可能为深入探索病原和治疗性的微生物组研究提供生态背景,潜在地为涉及悉生动物模型的研究提供重要基础。本研究定义的RA核心肠道微生物组由20个物种组成,涵盖了如E. coli等已报告的富集且潜在的病原物种,以及如 F. prausnitzii 等降低且潜在的益生物种。已识别的核心物种是新生物医学实践的潜在新靶点,并且在未来的研究可能会扩展定义的RA核心物种。在我们的研究中,Pvt. copri在RA样本中排名第一,这一物种被反复报告为RA病原体。我们从20个RA粪便样本中分离和培养了15个Pvt. copri菌株,这一高分离效率支持该物种在RA病因和进展中扮演了重要角色。然而,该物种未被纳入RA核心微生物组中。值得注意的是,Pvt. copri在菌株水平上具有多样性,许多菌株也在健康人群中被检测和培养。
在本研究中,我们观察到核心物种与临床使用的诊断指标(包括抗CCP、CRP、ESR和炎症细胞因子)相关,这表明这些核心物种可能影响宿主的炎症和免疫。值得注意的是,M. tenuis 和 E. rectale 显示出了统计学上的显著相关性。因此,我们在小鼠模型中应用了这两个物种以验证其相关性。我们的结果显示,这两种物种显著增加了血浆中的IL-17A水平,同时降低了IL-10水平。IL-17A 是由Th17细胞产生得主要的促炎细胞因子,在多种自身免疫疾病的发展中发挥关键作用。已有研究报道Th17细胞在肠道中优先募集,并在微生物与宿主免疫系统之间架起桥梁。此外,我们发现E. rectale 也显著增加了血浆中的IL-2和IL-12p70水平,表明其可能增强Th1细胞反应的能力。Th1细胞在RA进展中发挥重要的促炎作用。总之,M. tenuis 一直显示出强烈的促炎效应并提高了IL-17A水平,而E. rectale 在统计学和实验验证相关性方面则显示出差异:统计结果表明E. rectale 与RA呈负相关,并被视为具有抗炎作用,而实验结果表明E. rectale 促进炎症并显著降低IL-10,并且提高IL-17、IL-2和IL-12p70水平。我们注意到,对E. rectale 的促炎和抗炎潜力的早期报告存在争议,且其效应可能是菌株特异性的。鉴于肠道微生物菌株多样性频繁出现及其对宿主健康的菌株特异性影响,本研究强调了来自健康和病患者的培养菌株肠道微生物资源库的重要性。
结 论
在本研究中,采用了7种改进的和11种传统的细菌培养方法从20名类风湿关节炎(RA)患者的粪便样本中获得了3200个细菌分离株。筛选了代表了7个细菌门,280个物种的601个细菌株,并将其存储在RAGMB中(其中包括43个新特征并命名的物种)。RAGMB在物种水平上覆盖了RA患者肠道中93.2%的中等和高丰度肠道微生物。同时定义了RA患者的核心微生物组,并进一步将核心物种与临床使用的指标进行了关联。通过实验结果表明,核心物种M. tenuis和E. rectale在DSS处理和未处理的小鼠模型中均表现出促炎特性。
方 法
整个项目已获得青岛大学附属医院医学伦理委员会的批准,伦理批准编号为QYFY WZLL 28052。有关粪便和血浆采样、细菌分离与培养、16S rRNA基因测序、细菌鉴定与分类、细菌基因组和粪便宏基因组测序、细菌株保存、DSS处理小鼠模型的实验及数据统计与分析的详细描述,请参见Supplementary Methods部分。类风湿关节炎患者的信息详见表S3。
代码和数据可用性
本研究生成和分析的数据集可用如下:601个RAGMB分离株的描述信息和数据,代表七个门中的280种不同物种,可在RAGMB主页(https://www.nmdc.cn/ragmb/)获得。601个分离株的16S rRNA基因序列已存入国家微生物科学数据中心(NMDC),登记号为NMDCN0001EL0 - NMDCN0001F7O。本研究中组装的43个新物种基因组可在NMDC项目NMDC10018517下获得(https://nmdc.cn/resource/genomics/project/detail/NMDC10018517)。本研究中20例类风湿关节炎患者的粪便宏基因组数据可在NMDC项目NMDC10018632下获得(https://nmdc.cn/resource/genomics/project/detail/NMDC10018632)。使用的数据和脚本保存在GitHub上:https://github.com/hhj00123/2024_RAGMB。补充材料(方法、表格、图形摘要、幻灯片、视频、中文翻译版本及更新材料)可在在线DOI或iMeta Science网站找到:http://www.imeta.science/。
引文格式:
Huang, Hao-Jie, Chang Liu, Xin-Wei Sun, Rui-Qi Wei, Ling-Wei Liu, Hao-Yu Chen, Rashidin Abdugheni, et al. 2024. “The Rheumatoid Arthritis Gut Microbial Biobank Reveals Core Microbial Species that Associate and Effect on Host Inflammation and Autoimmune Responses.” iMeta e242. https://doi.org/10.1002/imt2.242.
黄浩杰(第一作者)
● 山东大学微生物技术研究院、微生物技术国家重点实验室在读博士研究生。
● 研究方向为类风湿关节炎患者来源的肠道微生物菌株资源与宿主相互作用机制。在iMeta、Gut microbes、Nature microbiology等国际高水平期刊发表研究成果7篇。
刘双江(通讯作者)
● 山东大学特聘教授、中国科学院微生物所研究员,博士生导师。获中国科学院“百人计划(海外杰出人才类)”和国家自然科学基金杰出青年项目支持。
● 研究领域为环境和人体微生物组,主要研究方向为微生物分离培养、微生物对污染物降解以及与宿主互作,取得了一系列创新性学术成果。在Nat Materials、Nat Microbiol、Nat Metabol、Nat Commun、PNAS、Microbiome、Gut Microbes、JBC、Mol Microbiol、ISME J、AEM、AMB等权威学术期刊发表SCI论文 300余篇。
刘斌(通讯作者)
● 青岛大学第一临床医学院副院长,青岛大学附属医院风湿免疫科主任医师,教授,博士生导师。青岛市政府特贴专家,青岛市拔尖人才。
● 研究方向为肠道菌群在自身免疫病中的发病机制。主持国家自然基金、省市基金6项,发表论文80余篇,参编(译)著作4部,指南2项,获省市奖项5项。中国医疗保健国际交流促进会风湿病专业委员会常委,山东省医学会风湿病学、罕见性疾病学会副主任委员。《中华风湿病学杂志》通信编委,《中华临床免疫与变态反应》杂志青年编委,《中国骨质疏松杂志》第七届常务编委,《协和医学》杂志编委。
张磊(通讯作者)
● 山东大学杰出中青年学者,教授,博士生导师,山东省泰山学者海外特聘专家。
● 主要研究方向为人体微生物组库构建和微生物组大数据驱动的医工理交叉研究及转化,构建了以微生物组为核心的多中心队列、样本库和菌种资源库,建设完成国家组学数据百科全书中最大的标准化微生物组数据集。在Gut、Gastroenterology、Annals of the Rheumatic Diseases、Microbiome、Pharmacological Research等权威学术期刊发表SCI论文67篇,中国生物物理学会肠道菌群专业委员会理事,中华预防医学会生物信息学分会委员。现任Microbiology Spectrum和Frontiers in Cellular and Infection Microbiology杂志编委。
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1卷1期
1卷2期
1卷3期
1卷4期
2卷1期
2卷2期
2卷3期
2卷4期
3卷1期
2卷2期封底
2卷4期封底
3卷2期
3卷3期
3卷3期封底
3卷4期
3卷4期封底
1卷1期
“iMeta” 是由威立、肠菌分会和本领域数百千华人科学家合作出版的开放获取期刊,主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述,重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等。目标是发表前10%(IF > 20)的高影响力论文。期刊特色包括视频投稿、可重复分析、图片打磨、青年编委、前3年免出版费、50万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊发行!发行后相继被Google Scholar、ESCI、PubMed、DOAJ、Scopus等数据库收录!2024年6月获得首个影响因子23.7,位列全球SCI期刊前千分之五(107/21848),微生物学科2/161,仅低于Nature Reviews,同学科研究类期刊全球第一,中国大陆11/514!
“iMetaOmics” 是“iMeta” 子刊,主编由中国科学院北京生命科学研究院赵方庆研究员和香港中文大学于君教授担任,是定位IF>10的高水平综合期刊,欢迎投稿!
iMeta主页:
http://www.imeta.science
姊妹刊iMetaOmics主页:
http://www.imeta.science/imetaomics/
出版社iMeta主页:
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2770596x
出版社iMetaOmics主页:
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/29969514
iMeta投稿:
https://wiley.atyponrex.com/journal/IMT2
iMetaOmics投稿:
https://wiley.atyponrex.com/journal/IMO2
邮箱:
office@imeta.science