抗生素诱导小鼠菌群变化与宿主代谢组相关性的研究

宿主及其寄生的肠道菌群是一个极其复杂的、变化的生态系统,长久以来它们一直保持着互惠共生的关系。肠道菌群不仅随着宿主一起生长变化,还影响着宿主的健康和疾病状态。多个研究表明肠道菌群的紊乱可能扰乱宿主正常的生理平衡,从而引发许多疾病,如结肠癌、炎症性肠病、肠道易激综合症、肥胖、糖尿病、心血管疾病、自闭症以及过敏性哮喘等。掌握肠道菌群的基本组成及特征,认识肠道菌群的基本功能及代谢,是了解肠道菌群与宿主相互作用机制的基础。目前肠道菌群的相关研究很多,但是肠道菌群与宿主代谢的相互关系,特别是特定菌群与具体的某个代谢物之间的具体关系,我们仍然知之甚少。本论文旨在结合微生物分子生态学和代谢组学技术,重点阐述肠道菌群与宿主代谢的相互关系,为能够更好的利用肠道菌群改善人类健康做进一步的科学探索,并为其提供一定的理论依据。 本论文中,我们使用庆大霉素和/或头孢曲松对BALB/c小鼠进行灌胃处理。采用PCR-DGGE技术对小鼠粪便样品的16S rRNA基因V3区域进行PCR扩增以及变性梯度凝胶电泳,分析了受抗生素干扰后小鼠肠道菌群的基本组成。采用基于NMR的代谢组学研究方法对小鼠粪样及尿液代谢组的动态变化进行分析。发现了不同种类和剂量的抗生素对肠道菌群能够造成不同程度的干扰,其对应的宿主粪便及尿液的代谢组也不相同,进而对它们两者发生的变化进行相关性分析,从微生物水平及代谢水平上较为深入地阐述肠道菌群与宿主之间的相互关系。具体研究内容如下： 首先,抗生素对肠道菌群的分布具有选择性,受抗生素给药种类和剂量的影响。这主要体现在经抗生素处理后,粪样中的Barnesiella、Prevotella和Alistipes明显降低,而Bacteroides、Enterococcus和Erysipelotrichaceae incertae sedis以及Mycoplasma在庆大霉素和头孢曲松处理后明显增加。正常BALB/c小鼠肠道中常见的Barnesiella对肠道菌群的平衡较为敏感,且恢复较慢。经抗生素处理后,严格厌氧菌的含量显著下降,而兼性厌氧的含量相应的有所上升,影响了肠道正常的生理健康。另外,肠道菌群在恢复的过程中更易受环境等因素的影响。 其次,抗生素处理后的小鼠粪便样品中短链脂肪酸、氨基酸、初级胆汁酸的代谢水平都有显著降低,而寡糖、松醇、胆碱和次级胆汁酸(去氧胆酸)则显著升高。这一现象反映了肠道中有关细菌发酵、蛋白质降解等途径都受到了抑制,同时,胆汁酸循环途径也受到影响。本论文还发现了一系列与肠道中Bacteroides、Barnesiella、 Alistipes和Prevotella相关联的粪便代谢物,如短链脂肪酸、寡糖、氨基酸等。这些代谢物对宿主健康有重要影响,掌握与这些代谢物相关的菌群,能够有助于人类利用细菌来改善肠道的健康。 最后,经抗生素处理后小鼠尿液中酚酸类、甲胺及其他胆碱降解的产物都有所下降,而瓜氨酸、肌酐、甜菜碱和松醇等物质都有所上升。这些现象说明抗生素对肠道菌群的干扰导致宿主的酚酸代谢、胆碱代谢以及尿素循环途径都受到了一定程度的影响。 本文较为详细的研究了抗生素干扰小鼠肠道菌群后,菌群的分布、宿主粪便及尿液的代谢变化,并深入分析了肠道菌群与代谢的相互关系,有效地提供了肠道菌群的基本代谢信息,为开发潜在的微生物用于干预和治疗疾病的提供了一定的理论基础。