16s rRNA测序 | 辐射幸存者的多组学分析确定辐射防护微生物和代谢物

研究背景

高剂量电离辐射的毒性与部分或全身辐射后发生的慢性和急性辐射综合征的诱导有关，并可进一步表现为造血、肠胃和脑血管综合征。其中，肠道是辐射的主要目标，也是肠道微生物群的最大生态位。但仅有零星的描述性研究表明肠道微生物群和辐射诱导的损伤之间存在潜在的相关性。

中文标题：辐射幸存者的多组学分析确定辐射防护微生物和代谢物

发表期刊：Science

影响因子：47.728

主要技术手段：16s rRNA测序、非靶向代谢组、短链脂肪酸靶向代谢组、粪菌移植（FMT）、脏笼共享（dirty cage-sharing）

研究路线

研究结果

“精英幸存者”肠道微生物是否有特异性？

本研究始于一项观察，在高剂量的全身辐射下，发现有部分小鼠可以长期存活（图1 A），这些小鼠被称为“精英幸存者”。为了确定肠道微生物群是否对精英幸存者具有特异性，研究者将对照小鼠和精英幸存者中分离的粪便进行16S测序分析。PCA和差异距离分析显示，对照组和精英幸存者组小鼠肠道菌群存在显著差异（图1 B-C）。

图1 | 与年龄匹配的对照组相比，辐射精英幸存者拥有独特的肠道微生物群

幸存者肠道微生物在辐射防护中的作用？

为了研究微生物群在辐射防护中发挥怎样的作用，研究者首先进行了脏笼共享试验，统计存活率和临床评分，发现住在以前精英幸存者住的脏笼里的小鼠存活率更高，临床评分更低（图2 A-C）。脏笼共享后辐射处理前，对接受粪便和提供粪便小鼠进行16s测序（图2 D-E）。供体和受体小鼠菌群丰度变化相似，与对照组相比，精英幸存者的丹毒丝菌目的丰度显著减少，同时拟杆菌目和梭菌目的丰度增加（图2 F-G）。同时也进行了粪菌移植实验后辐射处理，统计存活率和临床评分（图2 H-J），粪菌移植后也进行16s测序，和脏笼共享实验结果十分相似（图2 K-L）。其中，毛螺菌科是精英受体小鼠中最丰富和最代表性的细菌（图2 N-M）。

图2 | 来自精英幸存者的肠道微生物群可以保护精英受体小鼠免受辐射诱导的死亡

受辐射人群中肠道微生物结果是否一致？

上述研究都基于小鼠，为了验证研究结果在人群中是否一致，作者收集了21例白血病病人的粪便进行16s测序。在轻度腹泻病人组中，毛螺菌科和肠球菌科相对丰度显著高于重度腹泻的病人（图3 A）。毛螺菌科的相对丰度与病人腹泻时间存在显著负相关性（图3 B）。综上，毛螺菌科和肠球菌科可能帮助病人降低放疗引起的副作用。

图3 | 肠道微生物群与患者和小鼠的辐射防护显著相关

精英幸存者如何拥有的辐射防护菌群？

为了探究精英生存者中有益菌群是否是在辐射后才被选择，对辐射后存活或死亡这两种结局的小鼠粪便样本进行16s测序（图3 C）。PCA分析显示，辐射前，两种不同结局小鼠肠道菌群不存在差异，但在辐射后的第7天，小鼠肠道菌群存在差异（图3 E），毛螺菌科和肠球菌科的丰度在精英幸存者体内也相应大量富集（图3 F）。

根据之前粪菌移植的结果和文献调研，研究者挑选了4种单一菌群（包括毛螺菌科）进行小鼠体内实验（图4 A），结果表明喂食毛螺菌科的小鼠存活率最高，临床评分最低（图4 B-E）。此外，喂食毛螺菌科的小鼠也发现一系列与辐射导致的相关症状得到缓解（图4 F-H）。

图4 | 给予毛螺菌科药物可改善辐射诱导综合征

短链脂肪酸在辐射防护中的作用？

毛螺菌科作为辐射防护菌群可发挥重要作用，而毛螺菌科可产生大量的短链脂肪酸，短链脂肪酸同时是调节机体免疫反应和炎症反应的重要物质。因此，研究者针对精英幸存者粪便样本进行短链脂肪酸靶向代谢检测，锁定3种短链脂肪酸，分别检测喂食这3种短链脂肪酸对小鼠抵抗辐射的效果（图5 A），其中，喂食丙组生存率最高，临床评分最低（图5 B-C）。作者同时检测相关临床表型数据：发现喂食丙组小鼠骨髓中造血干细胞和祖细胞的比例远高于对照小鼠，在丙组中辐射所导致的DNA损伤与活性氧的释放也降低（图5 D-G）。

图5 | 共生相关的短链脂肪酸抑制辐射诱导的死亡和损伤

其他代谢物在辐射防护中的作用？

为了了解除短链脂肪酸外，其他代谢物在辐射防护中的作用，对精英幸存者小鼠粪便进行非靶向代谢组检测。结果显示，精英幸存者小鼠和对照组小鼠的代谢谱存在显著差异（图6 A-B）。差异代谢物主要富集在色氨酸代谢途径中，其中I3A和KYNA有最大表达差异（图6 C-D）。随后研究者对小鼠喂食I3A和KYNA进行体内验证实验，发现这两种代谢物均能显著提高辐射治疗小鼠的存活率并降低其临床评分（图6 E-H）。

图6 | 非靶向代谢组学揭示色氨酸代谢物是一种有效的辐射保护剂

研究结论

（1）肠道微生物群作为宿主抵御辐射的主要调节因子发挥关键作用，能够同时保护造血和胃肠道系统；

（2）毛螺菌科和肠球菌科，以及以丙和色氨酸途径成员为代表的下游代谢产物，对辐射防护有重要作用；

（3）微生物-代谢物轴在产生广泛的抗辐射保护方面发挥关键作用，并为治疗辐射暴露的不良副作用提供了很有前途的治疗靶点。

参考文献：

Guo H, Chou WC, Lai Y, Liang K, Tam JW, Brickey WJ, Chen L, Montgomery ND, Li X, Bohannon LM, Sung AD, Chao NJ, Peled JU, Gomes ALC, van den Brink MRM, French MJ, Macintyre AN, Sempowski GD, Tan X, Sartor RB, Lu K, Ting JPY. Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites. Science. 2020 Oct 30;370(6516):eaay9097. doi: 10.1126/science.aay9097.

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay9097