科研 | Journal of Dental Research:深龋中微生物组的结构和功能特征(国人作品)

编译:元,编辑:小菌菌、江舜尧。

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导读

龋齿是一种普遍存在于人类的慢性疾病,是由致龋细菌介导、可发酵的碳水化合物驱动的动态疾病。龋病如不及时治疗,可导致牙髓组织感染、牙脓肿和牙齿脱落。深龋的新生态学假说指出,龋病的发生和发展与微生物群落的改变和特定代谢途径基因的存在有关。具有相同生态位的不同微生物如何相互作用或相互竞争,以及它们在龋病进展中的不同作用是的研究深龋病的关键问题,深龋中微生物的基因组和代谢特征尚未完全阐明。

本研究旨在确定人类深龋病的微生物群落结构和功能特征。本研究发现,在深龋中,Actinobacteria(放线菌门35.8%)和Firmicutes(厚壁菌门31.2%)和Fusobacteria(梭杆菌门2.5%)。个体间微生物组成存在差异,但表层与深层间微生物相对丰度分布差异不显著。虽然前10个分类单元中有14.5%属乳酸菌属(Lactobacillus),但在深龋样本中,只有25%属Lactobacillus,其他丰富的类群包括Actinomyces(放线菌属10.5%)、Olsenella(奥氏体菌属9.4%)、Prevotella(普氏体菌属8.8%)、Propionibacterium(丙酸杆菌属7.2%)、Streptococcus(链球菌属3.9%)、Selenomonas(硒单胞菌属3.7%)、Corynebacterium(棒状杆菌属1.9%)、Leptotrichia(细毛菌属1.4%)和Parascardovia(副栉藻属1.1%)。

KEGG数据库中发现的最丰富的途径是含有101427个注释基因的代谢途径,占所有注释基因的51.4%。碳水化合物代谢途径、氨基酸代谢和膜转运是二级途径的功能特征。这些发现表明,深层牙本质龋病的微生物群落之间的相互作用可能在龋病的病因学中起着重要的作用。

论文ID

原名:Structural and Functional Characteristics of the Microbiome in Deep-Dentin Caries

译名:深龋中微生物组的结构和功能特征

期刊:Journal of Dental Research

IF:5.125

发表时间:2020年3月20日

通信作者:G.Liu1, Y.Li2

通信作者单位:1 华中科技大学同济医学院附属协和医院口腔科;2 康奈尔大学兽医学院微生物与免疫学系

实验设计

本试验以在第一次恒磨牙中被诊断出患有深龋病的8例9~18岁的青少年患者为研究对象,均为相同的深部龋病。每组均取同一龋损处的浅层标本和深层标本各一颗恒磨牙,共获得16个深度牙本质龋损样本(样本采集见图1)。采用散弹猎枪宏基因组测序法测定了微生物的组成和在门、纲、目、科、属、种水平上的丰度。利用DIAMOND软件对DNA测序数据集进行功能分析,并与《京都基因百科全书》和基因组数据库(KEGG;http://www.genome.ad.jp/kegg)进行比较。以探索现有细菌种群的基因组功能组成和深龋的疾病相关途径,以揭示与晚期龋有关的微生物组特征。

图1 深龋样本的采集

结果

1 深龋菌群基因组

根据研究标准确定,本研究共纳入16例临床标本,年龄9~18岁,男性5例,女性3例,均为相同的深部龋病。每组均取同一龋损处的浅层标本和深层标本各一颗恒磨牙(样本的临床特征见表1)。对不同样本的微生物进行DNA测序分析发现,总共有101.79-gigabase(Gb)高质量序列(平均每个样本6.36 Gb)。使用MetaGeneMark预测ORFs的总和为1838065。序列总长度为496.5 Mbp,平均每个序列长度为706.92bp;16个样本的平均GC百分比为50.4%。利用CD-HIT程序,组装了695802个单基因,作为分类和功能注释的基础(图2A)。不同样本间的基因组相关性显示,从同一龋损的浅层和深层采集的样本之间的基因谱相似性最高(图2B)。比较同一病变2个不同层次的基因总数时,表层的基因总数(2402116)高于深层的基因总数(2118416);但差异无统计学意义(图2C)。

表1 样本临床特征

图2 两组预测的开放阅读框(ORF)和单基因的比较。

2 微生物特性和层间比较

每个样本平均从NCBI分类法数据库获得684个属级注释。该研究观察了龋齿的表层和深层微生物结构的变化,但这些差异不显著。为了研究两组之间的分类学差异,本研究选择了每一水平上最丰富的35个基因作为焦点组进行统计比较。热图显示,微生物分类谱在个体内部密切相关,在个体之间存在差异(图3A);这一结果与基于前10个微生物分类单元的Bray-Curtis距离矩阵的聚类分析结果一致(图3B)。

在比较前10名细菌丰度分布时发现,Lactobacillus占14.5%(s,13.1%;d,15.9%),Actinomyces占10.5%(s,8.9%;d,12.2%),Olsenella占9.4%(s,8.0%;d,10.9%),Prevotella占8.8%(s,10.4%;d,7.2%),Propionibacterium占7.2%(s,5.1%;d,9.4%),Streptococcus占3.9%(s,3.9%;d,3.9%),Selenomonas占3.7%(s,4.1%;d,3.3%),Corynebacterium占1.9%(s,2.5%;d,1.3%),Leptotrichia占1.4%(s,2.2%;d,0.7%),Parascardovia占1.1%(s,1.3%;d,0.8%)(图3C).PCoA(图3D)和NMDS(图3E))以及ANOSIM的无约束排序分析未发现浅层组和深层组在所有分类水平上的细菌组成存在显著差异(图3F)。

图3 龋齿浅层(s)和深层(d)分类学差异

3 深龋中微生物群的功能特征

为了研究两层深龋中微生物的菌群功能,采用unigene BLAST实验。使用analysis pipeline,约70.67%的单基因获得了功能性注释。确定了KEGG中的6个主要通路,其中最为丰富的是含有101427个注释基因的代谢通路(图4A),占所有注释基因的51.35%(图4B)。在43条二级通路中,深龋病变中最丰富的通路为碳水化合物代谢,注释单基因30019个(29.5%),占总相对丰度的4.86%(图4C)。二级通路的其他普遍标记是氨基酸代谢和膜转运,2万多个单基因分别被分配到这2个通路。与二级注释结果一致,三级通路中,前10位功能注释主要涉及代谢途径(ko01230:氨基酸生物合成;ko01200:碳代谢;ko00230:嘌呤代谢;ko00240:嘧啶代谢;ko00520:氨基糖和核苷酸糖代谢;ko0010:糖酵解/合成),信息处理(环境信息处理ko02010:ATP结合盒(ABC)转运蛋白和ko02060:磷酸转移酶系统;遗传信息处理ko03010:核糖体)和细胞过程(ko02024:群体感应)(图4D)。通过对KEGG Orthology(KO)数据库的分析,确定了6253个KO嵌套位点和1906个酶家族。图4E显示了10个最丰富的KO。总的来说,与上述分类结果相似,本研究并未发现到两层之间的每个通路水平和KO中所含注释基因的显著功能差异(q值>0.05)。
图4 比较深龋中微生物组的功能特点

结论

(1)与龋齿相关的细菌在个体之间可能有所不同,但可能具有相似的代谢基因特性。

(2)乳杆菌属的存在与否可能不是龋齿发展的必要决定因素。

(3)在深龋中发现的最丰富的基因与碳水化合物的代谢,氨基酸代谢和膜转运有关。



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