项目文章 | 喜讯！nature发表江西农大黄路生院士团队宿主基因影响肠道菌群成果

2022年4月27日北京时间23:00，国际著名学术期刊《Nature》（《自然》）在线长文发表了江西农业大学猪遗传改良与养殖技术国家重点实验室黄路生院士团队的重大研究成果，题为“ABO genotype alters the gut microbiota by regulating GalNAc levels in pigs”该研究发现：ABO血型基因通过调节N-乙酰半乳糖胺浓度显著影响猪肠道中丹毒丝菌科相关细菌的丰度，并系统地阐明了其作用机理。这是目前为止，国际上整个农业动物领域（猪、牛、羊、鸡等）第一个鉴别到宿主基因组影响肠道菌群组成的因果突变并系统阐明了其中的作用机理。迈维代谢为本篇文章提供靶向代谢组学检测！

不同个体的肠道菌群组成各不相同并且与健康密切相关，宿主的遗传变异是否以及如何影响其自身的肠道菌群组成是一个国际研究热点及难点。由于受到环境、饮食、健康状况以及宿主遗传变异的多重影响，许多研究（尤其是在人类中的研究）难于被重复，因此在《Nature》及其子刊发表了不少争论性文章。

针对这一世界难题，黄路生院士团队以家猪为研究材料，为了增加宿主个体的遗传变异，首先用12年时间构建了一个由全世界八个不同的商业品种及中国地方猪种混合杂交而成的嵌合家系第六及第七世代群体，同时通过严格控制饲料、饲养、健康及环境条件，从五个方面系统研究并解答了这一难点问题：

五个方面

1.发现同一个体不同发育阶段及肠道部位菌群组成的异质性；

2.发现肠道菌群组成及丰度的可遗传性；

3.鉴别了影响不同阶段及不同部位肠道菌群组成的宿主基因组变异位点；

4.发现并验证了影响特定肠道丹毒丝菌科相关细菌丰度差异的因果基因突变；

5.系统研究并清晰探明发现宿主基因组因果突变位点影响肠道丹毒丝菌丰度的机制。

图1.在两个世代的家猪嵌合家系中研究同个体不同日龄、不同肠道部位肠道菌群组成与丰度的遗传力，解析宿主遗传变异对肠道菌群组成的因果机制及其生物学机理

发现ABO血型显著影响肠道糖胺浓度：在屠宰测定的278头实验猪中，使用靶向代谢组方法测定AA、AO和OO基因型个体盲肠内容物中N-乙酰半乳糖胺浓度，证实ABO血型显著影响肠道中N-乙酰半乳糖胺浓度。

发现肠道糖胺浓度直接影响丹毒丝菌科相关细菌丰度：在对屠宰测定的278头实验猪分析盲肠中N-乙酰半乳糖胺浓度和受ABO血型影响的丹毒丝菌科相关细菌丰度的关联性，发现即使是在同一种基因型的个体间盲肠内容物中N-乙酰半乳糖胺浓度和丹毒丝菌科相关细菌丰度仍显著相关，表明ABO血型是通过影响肠道中N-乙酰半乳糖胺浓度从而影响丹毒丝菌科相关细菌丰度。

分离目标细菌，基于基因组全长测序，探寻目标细菌利用糖胺的分子机制：（1）从家猪中分离培养了2株与受ABO血型影响的丹毒丝科相关细菌的16SrRNA基因序列相似性达到100%及99.8%的菌株，并用三代测序获得了两株菌的全基因组序列。（2）利用宏基因组测序，构建广泛代表野猪、地方猪、商业猪不同性别、日龄、肠道部位及健康状况的92个个体3111个宏基因组组装基因组（包含248个丹毒丝菌科基因组）作为对照，系统分析了24个参与N-乙酰半乳糖胺利用的基因，包括11个与N-乙酰半乳糖胺转运相关基因、2个GalNAc-6P去乙酰酶基因、2个六磷酸半乳糖胺异构酶/脱氨酶基因、3个六磷酸塔格糖激酶基因、4个1,6-二磷酸塔格糖醛缩酶基因和2个调节阻遏蛋白基因在2株受ABO血型影响的丹毒丝菌科菌株基因组和3111个宏基因组组装基因组中的分布情况。发现与GalNAc转运和代谢相关的基因趋向于聚集在一起形成共调节的基因操纵子。通过计算和比较代谢通路值和调节子值，发现受ABO血型影响的丹毒丝菌科菌株具有更完整的GalNAc转运和代谢通路，且代谢通路基因形成操纵子样基因簇，其它丹毒丝菌次之，丹毒丝菌以外的2863个其它菌种最低。

体外培养实验证实，目标丹毒丝菌利用糖胺的转录机制：利用体外培养基培养分离的目标丹毒丝菌科菌株，添加糖胺促进了目标菌株生长；收集并测定菌株转录组分析表明，受ABO血型影响的丹毒丝菌科菌株与GalNAc转运和代谢相关的操纵子样基因簇一直处于表达状态，与是否添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc诱导无关；而对照组的大肠杆菌菌株则是在添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc诱导后表达；

证实受ABO血型影响的丹毒丝菌确实可利用N-乙酰半乳糖胺：使用C13标记的GalNAc饲喂体外培养的受ABO血型影响的丹毒丝菌科菌株，在培养13小时后收集菌体培养物进行C13标记的代谢物测定，发现GalNAc的代谢产物如三磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮都被C13标记，该代谢流实验进一步证实了受ABO血型影响的丹毒丝菌科菌株能够利用GalNAc。

无菌小鼠灌喂实验证实，添加N-乙酰半乳糖胺促进了目标丹毒丝菌科菌株的生长：将10只无菌昆明系母鼠同时灌喂分离培养的受ABO血型影响的丹毒丝菌科菌株和对照的大肠杆菌菌株，平均分成两组分别灌喂200mg/kg体重的GalNAc或对照的无菌PBS，于第12天测定实验小鼠盲肠中丹毒丝菌科菌株和对照的大肠杆菌的丰度，证实添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc会显著影响肠道中丹毒丝菌科相关细菌丰度，而对照的大肠杆菌丰度则不受影响。

该项目通过对两个世代1500多个个体，每个个体三个生长阶段和三个肠道部位共5100多个样品的系统研究，有力证明宿主遗传会影响肠道菌群的组成和丰度。发现并验证ABO血型基因的一个350万年前的2.3kb缺失导致家猪肠道中N-乙酰半乳糖胺浓度的降低，从而使其丹毒丝菌科相关细菌丰度的下降。

这是国际上所有农业动物（猪、牛、羊、鸡等）中第一个被发现的宿主基因组影响肠道菌群的因果基因突变。该发现对于借助同样的手段研发宿主遗传通过影响肠道菌群调节饲料转化效率和促进生长新技术，培育节粮型和快长型新品种具有重要参考意义。

同时，项目研究发现的丹毒丝菌科在人类中报道与肥胖、胆固醇代谢以及结直肠癌等相关。猪的消化系统、基因组成和器官大小等与人类相似，特别是相比较于小鼠，其肠道菌群组成与人类更为相似。因此，利用猪作为模式动物，从肠道菌群和宿主基因互作出发研究人类上述疾病发病机理及菌群调控技术也具有重要的参考意义。

近年来越来越多的研究证据表明，肠道菌群与多种人类疾病的发生直接相关，代谢组学联合微生物组学对肠道菌群研究能揭示在人体健康和疾病中的关键菌群或代谢物信息，能为个性化医疗的开发提供直接依据。肠道菌群研究具有易检测、易调节等优点，相信肠道菌群领域的研究一定能够继续高歌猛进！

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