Microbiome: 乡村环境微生物组成及功能基因或对呼吸道及过敏疾病具有保护性
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Microbiome
近年来儿童哮喘、过敏性鼻炎等呼吸道疾病的患病率在全球范围普遍升高，但这些疾病在乡村地区的患病率普遍低于城市地区。有研究证明乡村居住环境中的微生物暴露是主要影响因素，但是，其中起保护作用的微生物有效成分是什么，具体通过什么功能通路实现健康效应，至今还未得到解答。本研究由华南农业大学孙峪教授团队和复旦大学赵卓慧教授团队合作，对中国山西城市及乡村学校的教室环境中的微生物组进行了比较分析，鉴别出了在城乡室内环境中有显著差异的菌群。并且，结合学生的哮喘、鼻炎、鼻结膜炎（有并发症的过敏性鼻炎）症状的情况进行了相关性分析，分别筛选出了室内环境中可能对这些症状具有保护效应或风险效应的菌群和微生物的功能基因。
· 摘要 ·
背景：研究表明，发达国家哮喘、鼻炎等慢性炎症在城市地区患病率显著高于乡村地区，这一现象与城市化以及随之改变的室内微生物暴露相关。在一些发展中国家如中国在过去十年间也经历了快速的城市化进程，但尚未有研究报道在这些国家的人群中微生物组暴露与城市-乡村健康效应之间的相关性。
方法：在中国山西的城市和乡村随机选择的九所学校进行教室的吸尘采集，并进行无扩增宏基因组测序。同时，通过问卷共收集1332名学生的个人信息及健康数据。研究通过三阶逻辑回归模型分析了教室中微生物多样性、种群相对丰度以及功能通路对哮喘和鼻炎症状的相关性。
结果：与在发达国家情况一致，城市地区的哮鸣、鼻炎症状的患病率显著高于乡村地区(p < 0.05)。宏基因组测序共解析出教室灰尘中的细菌8302种，真菌744种，古细菌395种，原生生物524种以及病毒1103种。放线菌纲（Actinobacteria，平均相对丰度49.7%），丙型变形菌纲（Gammaproteobacteria，18.4%)和甲型变形菌纲（Alphaproteobacteria，10.0%）丰度最高。在整体微生物组成上城市与乡村学校的微生物组成存在显著差异(p=0.001，Adonis)。乙型变形菌纲（Betaproteobacterira）、丙型变形菌纲（Gammaproteobacteria）以及芽孢杆菌纲（Bacilli）的菌群在城市的学校较为富集，而放线菌纲（Actinobacteria）、蓝细菌门（Cyanobacteria）的菌群在乡村的学校较为富集。潜在的病原菌在城市学校丰度也显著高于乡村学校（p<0.05）。假交替单胞菌（Pseudoalteromonas）、叶片微杆菌（Microbacterium foliorum）以及原生生物新孢子虫（Neospora caninum）在整个室内环境的相对丰度与哮鸣、鼻炎、鼻结膜炎的出现呈正相关，短状杆菌（Brachybacterium）与鼻炎症状呈保护性（负）相关 (p<0.01)。此外，我们发现与丁酸盐、丙酸盐代谢相关的基因和代谢通路在乡村学校的教室微生物组中更为富集(p<0.005)，这与之前肠道微生物组研究报道的短链脂肪酸对慢性炎症具有保护作用的结论一致。
结论：这是首篇基于无扩增宏基因组测序技术探索城市与乡村环境中室内微生物组差异的研究，揭示了城乡环境微生物暴露差异与潜在的人群健康效应存在显著的相关性。
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· 发表详情 ·
原文题目：Indoor bacterial, fungal and viral species and functional genes in urban and rural schools in Shanxi Province, China-association with asthma, rhinitis and rhinoconjunctivitis in high school students
翻译题目：中国山西城市与乡村学校室内环境中细菌、真菌、病毒种类及功能基因与学生哮喘、鼻炎、鼻结膜炎的相关性研究
发表期刊：Microbiome（IF=14.65）
第一作者: 付曦，区哲远
通讯作者：孙峪，赵卓慧，邓诣群
其他作者：张梅，孟仪，黎彦伶，文继开，胡前胜，张昕，Dan Norbäck
主要作者单位：华南农业大学，复旦大学，中山大学
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34118964/
· 结果 ·
学校教室内的微生物组成特点
图1. 山西中学教室微生物组成以及NMDS城乡差异分析。A. 纲级别微生物类群相对丰度展示。学校 1-5 为乡村学校，学校 6-10 为城市学校。
种级别类群中，丰度最高的细菌类群包括藤黄微球菌（Micrococcus luteus，3.1%）、印度洋两面神菌（Janibacter indicus，1.6%），以及未鉴定出具体种的放线菌（5.1%）、嗜冷杆菌（Psychrobacter，3.2%）和 短状杆菌（1.8%）类群。高丰度的古细菌来自 Nitrososphaeria 纲，包括 Candidatus Nitrocosmicus oleophilus (0.003%) 和 Candidatus Nitrosocosmicus exaquare (0.001%)，以及盐杆菌纲（Halobacteria），包括 uc Halobacteria (0.001%) 和特腊帕尼盐红菌（Halorubrum trapanicum，0.001%）。丰度最高的真菌是一些常见的霉菌，包括交替链格孢菌 （Alternaria alternate 0.22%）、茄子链格孢 （Alternaria solani 0.10%）、灰绿曲霉 (Aspergillus glaucus 0.04%)、总状毛霉 （Mucor racemosus 0.007%）和棘孢曲霉 (Aspergillus aculeatus 0.005%)。高丰度的原生生物来自顶复动物亚门（Apicomplexa），包括犬新孢子虫 (0.07) 和双芽巴贝西虫 (Babesia bigemina 0.005%)。高丰度病毒主要是噬菌体，包括硅杆菌噬菌体DSS3phi2（Silicibacter phage DSS3phi2 0.044%）、嗜冷杆菌噬菌体Psymv2（0.008%）和尾状病毒噬菌体（Caudovirales phage 0.004%）。
研究通过NMDS 层次聚类进一步表征了整体微生物组组成的变化。来自城市和农村学校的样本分别主要聚集在 NMDS1 的左侧和右侧（图 1B），表明城市和农村教室含有不同的微生物组成。PERMANOVA分析也证实了这种变化（p = 0.001）。同为乡村学校，学校 5 与学校 1-4 相比呈现出了沿 NMDS2 轴方向的较大的组成变化（图 1B），这表明还有其它环境特征决定室内微生物组的组成。
图1. 山西中学教室微生物组成以及NMDS城乡差异分析。B. 所有教室灰尘样本微生物种群差异展示。
城市与乡村室内主要菌群差异显著
为了鉴别城市和乡村学校的特征物种，研究进行了 LEfSe 分析。城市学校高丰度的菌群主要来自乙型变形杆菌纲（uc奈瑟菌Neisseria）、丙型变形杆菌纲（鲁菲不动杆菌Acinetobacter lwoffi，约翰逊不动杆菌A. johnsonii、黄单胞菌 uc Xanthomonadaceae、溶杆菌uc Lysobacter）、芽孢杆菌纲（链球菌uc Streptococcus、表皮葡萄球菌Staphylococcus epidermidis、肉食杆菌Carnobacterium sp.）和放线菌纲（微杆菌 uc Microbacterium、放线菌uc Actinomyces、痤疮丙酸杆菌Cutibacterium acnes、Agrococcus carbonis 碳土壤杆菌、, Neomicrococcus aestuarii潮汐微球菌；LDA > 3)。乡村学校较为富集的菌群主要来自放线菌纲（藤黄微球菌、短状杆菌、沼泽考克氏菌Kocuria palustris、迪茨氏菌Dietzia sp.、奇异球菌Derinicoccus sp.、印度洋两面神菌）和蓝细菌纲（微鞘菌Microcoleus sp.、颤蓝细菌Oscillatoria nigro-viridis；图 2A）。另外，该研究还鉴定出了环境中的潜在病原体（按照美国国家过敏和传染病研究所的定义）。总体而言，潜在病原体的丰度较低（总丰度为 0.057%）。产气荚膜梭菌 （Clostridium pefringens 0.021%） 和单核细胞增生李斯特菌 （Listeria monocytogenes 0.011%）是学校环境中的主要病原体，其他病原体均 < 0.01%。值得注意的是，城市学校中病原体的平均相对丰度高于乡村学校（p = 0.046，t 检验；乡村平均丰度0.034%，城市 0.066%）。具体而言，单核细胞增生李斯特菌、空肠弯曲杆菌（Campylobacter jejuni）、鼠疫耶尔森菌（Yersinia pestis）和城市学校中弓形虫（Toxoplasma gondii）的相对丰度高于乡村学校（p = 0.001、0.043、0.018 和 0.002，t 检验）。类鼻疽伯克氏菌（Burkholderia pseudomallei）是乡村学校中唯一一种比城市学校丰度更高的致病菌（p < 0.001）。
微生物丰富度/种群丰度与哮喘
和鼻炎症状的相关性
细菌域、古细菌域和真核生物域以及真菌界和病毒界的微生物丰富度与哮鸣、呼吸困难、鼻炎和鼻结膜炎症状没有显著相关性（p > 0.05）。同样，这些类群的相对丰度与健康之间也没有发现显著的关联（p > 0.05）。
研究用多阶回归模型检验了微生物种群丰度与喘息、呼吸急促、鼻炎和鼻结膜炎之间的相关性。为了减少测试次数，仅纳入了城市和乡村学校中存在差异的 117 种特征微生物（LDA > 2）。五种细菌和一种原生生物与这些症状具有相关性。来自丙型变形菌纲的的未鉴定到种的假交替单胞菌与哮鸣和鼻炎呈正相关（p = 0.008，p < 0.001；表 4）。短状杆菌P6-10-X1 与鼻炎呈保护性（负）相关（p = 0.009），一种乙型变形菌与鼻炎呈正相关（p = 0.002 ）。原生生物犬新孢子虫与鼻炎呈正相关（p = 0.002）。一种金黄杆菌与鼻结膜炎呈负相关 (p = 0.009)，而叶微杆菌与鼻结膜炎呈正相关 (p = 0.006)。
城乡教室环境中微生物功能基因
的丰度差异
在这项研究中，从鸟枪式宏基因组拼接数据中提取了 1500 万个非冗余功能基因。根据KEGG Orthology数据库对功能基因进行注释，并分类为不同的KEGG功能通路。超过一半的功能基因被注释为“代谢”（56.4%），其次是“遗传信息处理”（10.7%）、“环境信息处理”（7.7%）、“人类疾病”（6.8%）、“细胞过程”（6.1%）、“生物系统”（5.1%）和“不包含在通路中”（7.4%；图 3A）。
图3A. 教室样本中微生物功能基因组成
同时，研究对城乡样本中的功能基因也做了 NMDS 聚类分析（图 3B），并且PERMANOVA分析也显示出同样的差异（p = 0.005）。
图3B. 教室样本中微生物功能通路的NMDS城乡差异分析
另外，城乡教室中微生物的 KEGG 功能通路差异也通过LEfSe 分析进行了表征。图 4 显示了第二个 KEGG 层级的通路。在城市学校中检测到与人类疾病和免疫系统相关的通路丰度更高，包括“人类疾病；细菌传染病”，“人类疾病；病毒传染病”，“人类疾病；癌症特定类型”、“生物系统：免疫系统”和“生物系统：消化系统”（LDA > 3）。在乡村学校检测到的代谢通路丰度更高，包括“脂质代谢”、“氨基酸代谢”、“碳水化合物代谢”、“辅助因子和维生素的代谢”和“异生物质的生物降解与代谢”（LDA > 3）。最近的一项研究报道过包括丁酸盐和丙酸盐在内的肠道微生物组产生的短链脂肪酸 (SCFA) 可防止肺部发生过敏性炎症。因此，我们进一步在第三个 KEGG 层级进行了针对碳水化合物代谢的 LEfSe 分析。我们发现来自“丁酸盐代谢”的基因丰度更高（LDA = 2.7，p= 0.004) 和“丙酸代谢”(LDA = 2.9, p = 0.002) 途径在农村学校比在城市学校，表明农村环境中的室内微生物组可能产生更多的丁酸盐和丙酸盐。
图4. LEfSe分析结果展示，显示了城市与乡村教室环境中微生物KEGG功能通路的差异。图中展示了KEGG第二层级的通路，并且只包含了LDA>3的通路。
我们对城市和乡村室内环境中的微生物进行了第一次无扩增宏基因组测序，精确地解析了微生物种群分类，深度分析了环境中微生物的功能通路，揭示了潜在的健康影响。与农村地区相比，中国山西城市地区哮喘和鼻炎症状的患病率明显更高。这两个区域的微生物组成也有显著差异，几种潜在的保护性和风险微生物与这些症状相关。与丁酸盐和丙酸盐代谢相关的基因和通路在农村学校中显著升高，可能为鼻炎、哮喘等炎症提供了保护作用。之前的关于人类肠道微生物的研究，也支持微生物代谢产生的短链脂肪酸对慢性炎症类疾病的保护和预防作用。这项研究扩充了我们对室内微生物组和呼吸系统健康的理解，从功能的角度为室内微生物暴露及健康效应提供了新的见解。
编辑 | 付曦 唐颢
审核 | 赵卓慧
环境微生物组与健康
报道内容：环境微生物组与健康领域科研进展
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学习16S扩增子、宏基因组科研思路和分析实战，关注“宏基因组”
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