以健康人和大熊猫为模型的哺乳动物肠道菌群多样性分布与核心功能种属的研究

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哺乳动物在地球上已存在了数百万年。在这一漫长的历史中，为了适应地球气候和环境的剧烈变化（比如大规模植被的形成），以食肉为主的原始哺乳动物多次拓展生境，极大地改变了它们的觅食行为、食性和消化系统，通过广泛的进化辐射形成种类繁多的食草动物。大部分食草动物都特化形成了大容积的消化器官如前肠和后肠以延长高纤维食物的停留时间，使多样的专一性消化纤维素的微生物能充分降解这些难以消化的植物纤维。哺乳动物与它们的共生肠道菌群长期相互适应并共进化，形成了复杂而又紧密的相互作用，成为一个密不可分的整体——“超级生物体”。一方面，食性、消化道形态结构和生理特性对塑造哺乳动物肠道菌群的结构和功能具有重要作用；另一方面，肠道菌群能提供宿主自身不具备的众多代谢功能，这些功能部分对宿主健康有益（比如合成维生素和产生短链脂肪酸），部分却对宿主有害（比如释放内毒素）。如果肠道中的某些微生物成员对于维持宿主的健康具有必不可少的关键作用，它们就有可能在健康哺乳动物的肠道中广泛存在，成为肠道核心菌群。本论文中，我们分别以两种不同的哺乳动物作为超级生物体模型，探究健康哺乳动物是否具有肠道核心菌群，及其对宿主健康可能的贡献。
　　我们首先以健康年轻人体为研究目标。人体肠道菌群被认为具有杂食性灵长类动物肠道菌群的典型特征，比如其高于食肉动物但低于食草动物的肠道菌群多样性。众多研究已证实，健康人体肠道菌群的多样性和组成结构能在较长时间中维持稳定，但两者均表现出明显的个体间差异。目前尚不清楚这种个体间差异与哪些因素有关，是否对人体健康具有潜在影响，而健康人肠道菌群是否具有跨越个体间差异的普遍共同的特征也值得研究。因此，我们选取了来自7个民族、9个省份的城市和乡村的共计20个中国健康年轻人群的肠道菌群开展横断面研究（n=314）。研究表明，民族和地域对这些人群的肠道菌群结构具有显著影响，而对于不同民族和不同地域的人群，城/乡生活方式对菌群结构的影响效果各不相同。尽管不同人群的肠道菌群结构显著不同，我们依然发现有9个细菌属（即Phascolarctobacterium、Roseburia、Bacteroides、Blautia、Faecalibacterium、Clostridium、Subdoligranulum、Ruminococcus和Coprococcus属）在所有个体内共同出现，其序列总量几乎占所有序列量的一半，同时这些属都含有已知能产生短链脂肪酸的成员，预示着它们对于维持人体健康可能具有重要作用。进一步研究表明，由这9个属构成的核心菌群的具体组成依然体现出与民族/地域以及城/乡生活方式相关的显著差异。本研究证实了来自宿主和环境的多重因素对健康年轻人群肠道菌群的显著影响，同时，本研究定义的“肠道核心功能种属”不仅在所有个体中都存在，而且可能为人体提供了一致功能的、对健康有益的“生态系统服务”，可能代表了健康人体肠道菌群的一个普遍特征。
　　就肠道菌群而言，人类对自身的认识远远多于对其它哺乳动物的了解。由于食性和肠道形态结构对肠道菌群的塑造非常关键，有必要对一些具有特殊食性和肠道形态结构的哺乳动物进行研究。大熊猫作为其中的典型代表，至今对它的肠道菌群的研究仍极为有限。大熊猫从杂食性的熊科动物进化而来，但它在数百万年前就已转变为专一性以竹子为食的食草性动物。然而，大熊猫依然保留了食肉动物的消化系统结构，在它的基因组中也缺乏能编码竹子纤维消化酶的基因。为了求证大熊猫是否如同大多数食草动物一样，进化形成了与高纤维食物相适应的肠道菌群，我们对一圈养大熊猫种群（n=45）在一年中春季、夏季和深秋季的粪便菌群进行纵贯性研究。研究发现每个大熊猫个体的菌群多样性和结构均随季节发生了明显的变化，这种个体内前后不同季节间的变化程度甚至超过了不同个体间的菌群结构差异，表明大熊猫肠道菌群的结构不稳定。与前人发表的54个哺乳动物物种的124份肠道菌群样本相比较，所有大熊猫（包括前人研究的9头圈养和7头野生大熊猫）的肠道菌群多样性极低，同时整体结构与其它食草动物截然不同，却类似于与它进化关系相近的食肉和杂食动物。大熊猫这一类似于食肉动物的肠道菌群具有三个主要结构特征。首先，大熊猫缺乏其它食草动物肠道中广泛存在的与消化纤维素有关的细菌（如来自 Ruminococcaceae科和Bacteroides属的成员）。其次，大熊猫肠道中的优势细菌为革兰氏阴性的兼性厌氧的Escherichia/Shigella和Streptococcus，同时只有Escherichia/Shigella为“核心”细菌属。最后，Clostridia纲的成员在大熊猫肠道中丰度和出现率均较高，但在其它食草动物肠道中几乎不存在，且与已知的Clostridium属消化纤维素相关细菌的系统发育关系较远。因此，大熊猫并未进化形成能充分适应其独特食性的肠道菌群。
　　综上所述，本论文通过全微生物组关联分析发现，人与大熊猫这两种哺乳动物的健康个体分别都具有各自独特的肠道核心细菌属，但两者却可能为各自的哺乳动物宿主提供了截然不同的生态系统服务，从而对人与大熊猫的健康产生不同的影响。本研究为在超级生物体水平进一步阐释“哺乳动物宿主——共生菌群”之间的共进化及其对健康的影响提供了依据。

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作者
薛正晟;
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作者单位

上海交通大学;

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授予单位上海交通大学;
学科微生物学
授予学位博士
导师姓名赵立平;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类肠的生理;
关键词
哺乳动物; 肠道菌群; 全微生物组关联; 短链脂肪酸;

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