【文献解析-多组学联合】阴道菌群与早产-Nature Medicine-IF30.641-2019

  • 2019-12-04 14:08:58
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英文题目:The vaginal microbiome and preterm birth

中文题目:阴道菌群与早产

期刊名: Nature Medicine      发表时间:2019.5.29        IF30.641

DOI10。1038/s41591-019-0450-2

相关产品16S+宏基因组+宏转录组+代谢组

测序平台:Illumina HiSeq

样品来源:人体组织

研究背景:

早产(PTB)仍然是全球新生儿死亡的第二大常见原因,也是中高收入经济体中最常见的婴儿死亡原因。PTB的后遗症会从幼儿期一直持续到青春期和成年期。

虽然母体和胎儿遗传学以及基因与环境的相互作用在决定妊娠时间长短方面发挥了明显的作用,但环境因素,包括微生物群,特别是在非洲血统的妇女中,是导致PTB的最重要因素。 以乳酸菌为主的同质微生物群一直被认为是女性生殖道健康的标志。然而,许多健康女性有不同的阴道微生物区系。需要更精确的方法来评估风险,促进健康,以预防和治疗疾病。

最近关于孕妇中微生物群的报告表明阴道微生物群的组成对PTB风险具有显着的群体特异性影响。非洲和欧洲血统的妇女的阴道微生物区系有很大不同。非洲裔妇女不太可能表现出阴道乳杆菌,经常有阴道脆性乳杆菌占优势,更有可能表现出阴道微生物多样性增加。因此,可能需要进行针对特定人群的研究,以评估阴道微生物群对PTB风险的广泛影响,并确定可能仅由一小部分妇女携带的贡献类群。

在该研究中,作者报告了一个社区资源,其中包括从不同祖先的1572名孕妇中纵向收集的样本,以及在美国国立卫生研究院综合研究所的协助下,从597名孕妇中收集的样本中生成的组学数据。此外,我们提供了一项对45名经历自发性PTB的妇女和90名病例匹配对照的阴道样本的纵向的、全面的、多组学分析,这些妇女主要是非洲血统的妇女。该项目是迄今为止规模最大、最全面的阴道微生物组研究之一,作者在经历PTB的女性中确定了阴道的标签微生物。

 

试验设计:




研究结果:

1、多组学微生物组研究:对生育的建议MOMS-PI

包括总共1572例样本,其中992例来自与位于弗吉尼亚州的弗吉尼亚联邦大学(VCU)的微生物组科学研究联盟(RAMS)注册中心相关的医院,580例样本来自华盛顿州全球预防早产和死产联盟(GAPPS)。该资源的特点是在怀孕和围产期测定了两个综合的微生物群和宿主功能属性 (1)(1)MOMS-PI早产(PTB)研究数据集产生于一项病例对照研究,其中45名妇女主要是非洲血统,她们自然早产,90名病例匹配的妇女足月分娩;以及(2)MOMS-PI足月分娩(TB)研究数据集,该研究数据集来自对90名在足月或早产的妇女进行的种族多样性回顾性队列研究42。从597个孕妇的12039个样本中选择,我们生成:(1)来自6,452个孕妇样本和2753个新生儿样本的16S核糖体RNA(RRNA)分类图谱;(2)来自930个孕妇样本和146个新生儿样本的巨核基因组图谱;(3)来自孕妇297个样本的metatranscriptome图谱;(4)来自孕妇1223个样品和新生儿173个样品的细胞因子图谱;以及(5)来自孕妇63个样品的脂质图谱。在总体MMS-PI研究中,我们从孕妇及其新生儿总共收集了206437个样本,这些样本已存档在Rams Registry(ramsregistry.vcu.edu)(1C)。还纵向收集了全面的健康历史和结果数据。


1|MOMS-PI资源。a,关于MOMS-PI PTB研究(45例早产(SPTB)病例和90例足月对照)MOMS-PI TB研究(90名足月或早产妇女及其新生儿)研究设计的概述。bOMICS数据。来自MOMS-PI PTBMOMS-PI TB研究以及MOMS-PI研究。组学数据类型包括16S rRNA扩增子测序,宏基因组测序(MGS),宏转录组测序(MTS),宿主细胞因子分析和脂质组学。c,在MOMS-PI研究中,从1572名孕妇的7000多次访问中收集了总共206437个样本,并将其存档在RAMS登记处。


2、阴道微生物组显示出与PTB相关的趋势

分析了45例早产样本(23-36周,孕龄6)90例正常分娩样本(≥,39)。研究对象主要由非洲血统的妇女组成(78%),年收入中位数低于20,000美元,平均年龄为26(1,见补充表1)。通过16S rRNA分类分析获得了在研究登记时收集的第一批阴道样品的微生物组图谱(2A,并参见扩展数据图1)。足月分娩的妇女更有可能在阴道微生物群落中表现出L. crispatus(皱纹乳杆菌)优势(P=0。014,图2Ab,见补充表2a和扩展数据图1),与早先的研究结果一致。评估妊娠期间型变化的马尔可夫链分析并未显示病例组和对照组之间的转换率有统计学意义的差异。

PTB的女性样本的总体多样性增加,PTBTB组之间微生物的丰度在12个分类群中有显著差异。在PTB样品中,L. crispatus大大减少,其他几个分类群,包括BVAB1Prevotella cluster 2Sneathia amnii,在PTB样品中具有更高的丰度。通过对从31PTB59TB受试者收集的样本进行分析,这些受试者在怀孕早期(孕龄6-24)采集了样本,确定了PTB样本中显著增加的两个类群:Megasphaera type 1TM7-H1。这两种类群已报导与阴道健康的不利条件有关,这是首次报道TM7-H1PTB的关联。

PTB风险的早期预测对于制定新的预防和干预策略至关重要。作者开发了一个模型,利用从妊娠24周或更早收集的样本中收集的16S rRNA数据来识别PTB的最具鉴别性的分类群。得到的模型包含四个分类群:S.amniiBVAB1Prevotella cluster 2TM7-H1,它们都与PTB正相关。与仅使用临床变量构建的模型相比,基于微生物组成数据的模型提高了5-7%的敏感性和特异性,AUROC曲线略有降低(0.7230.764)。对这四个分类群的网络分析(2C)表明,它们与阴道失调相关的分类群呈正相关。

进一步使用包含体重指数(BMI)、阴道pH、民族和早产状况的广义加性混合效应模型(GAMM)进一步检查了关键分类群的纵向趋势(3A,见补充图1A)。鉴定出许多与PTB相关的类群,对于早产的妇女,在妊娠过程中,L. crispatus丰度显著增加(P=0。0320)。正常分娩的妇女A. vaginae (P<0.0001)G. vaginalis (P=0.0012)的丰度显著降低,而L. iners的丰度增加。

按祖先进行纵向分层的GAMM分析 (3B,见补充图1B)表明,在怀孕期间,早产的非洲血统妇女(AAA。 vaginae (P = 0。0011), BV AB1 (P = 0。0003), G。 vaginalis (P = 0。0002), P 。 amnii (P= 0。0013), S。 amnii (P = 0。0219) TM7-H1 (P = 0.0014)的丰度显著下降。足月分娩的非洲血统妇女在怀孕期间变化较小。尽管欧洲血统(EA)的早产妇女G. vaginalis丰度增加(P=0.0401),但其在怀孕期间普遍表现出稳定的微生物组特征。总体而言,观察结果与之前关于怀孕期间阴道微生物群落动态变化的研究的结果一致,这表明阴道微生物群落的动态随祖先的不同而不同,非洲血统的妇女在怀孕期间表现出更明显的微生物多样性减少。

来自MOS-PI PTB研究参与者的496个纵向阴道样本(见图1B)进行宏基因组测序(MGS)243个样本的子集进行宏转录测序(MTS)。在代谢水平上,除了以L。 crispatus为主的样品外,微生物群落的功能和代谢潜力在很大程度上是保守的,它们表现出更高的比例代谢潜力和UDP-N-乙酰基-d-氨基葡萄糖(UDP-GlcNAc)生物合成途径的转录活性。UDP-GlcNAc是肽聚糖的前体,肽聚糖是描述最好的微生物相关分子模式之一,通过Toll样受体信号参与调节宿主细胞因子的产生。还需要更多的研究来确定阴道微生物区系产生的微生物相关分子模式的组合是否调节宿主细胞因子水平并影响泌尿生殖健康。在以L。crispatus为主的样品中,丙酮酸发酵到乙酸盐和乳酸II途径的基因以及戊糖磷酸途径的非氧化分支的基因的转录活性比例较低(见扩展数据图5)。这一发现与细菌性阴道病妇女阴道样本中乳酸水平降低和短链脂肪酸浓度增加的报告一致。短链脂肪酸被认为可以降低阴道环境中的抗菌活性并增加促炎性细胞因子。


2|PTB相关的细菌分类群。A90名足月分娩的妇女(≥39 孕周)45名早产妇女(<37 孕周)的菌群类型型,表现出13个状态。bPTB(n = 45)TB(n = 90)队列中的菌群丰度具有显著差异。TB以蓝色表示为(-)PTB以红色表示为(+)。方框显示中位数和四分位数范围;胡须在每个队列中从最小值扩展到最大值。c,与PTBs高度相关的四个分类群的网络分析。负相关显示为绿色,正相关显示为蓝色,预测分类群显示为灰色。边权重表示相关性的强度。dPTBS的预测性线性模型,该模型基于6-24周孕龄范围内阴道16S rRNA群落中四个分类群的加权对数(丰度)产生得分。


3、与PTB相关的细菌类群参考基因组的宏基因组组装

使用Pacific BioSciencesIllumina测序技术生成的MGS数据分别用生成了TM7-H1(CP026537)BVAB1(PQVO000000)的基因组信息。BVAB1具有约1.45兆碱基(Mb)的基因组,属于梭菌目Lachnospiraceae,与任何其他已知细菌没有密切关系。TM7-H1具有约0.72Mb的基因组,与最近描述的口服TM7x分离株(NZ_CP007496)的核苷酸同源性仅为~66%。与TM7x类似,TM7-H1缺乏对必需氨基酸的从头生物合成能力(见补充表7),并且可能依赖于阴道环境中的其他生物来生存。在TM7-H1BVAB1中分别鉴定了243421个代谢反应。预测这两种生物都具有产生丙酮酸、乙酸酯、l-乳酸和丙酸的能力。BVAB1编码产生乙醛,d-乳酸,甲酸盐和乙酰辅酶A的额外途径。两者都没有三羧酸循环功能,并且TM7-H1完全缺乏与丁酸盐代谢相关的基因。如上所述,短链脂肪酸的产生与促炎状态有关,可能对疾病有影响。

41名早产妇女和81名足月妇女的数据进行纵向比较。结果显示,在早产样本中,观察到来自PTB候选标记的所有分类群中的基因更高的转录水平,相反,我们在足月样本中观察到了更高的L.crepatus转录本水平,这些基因在足月组和早产儿队列之间表现出非常不同的转录水平。使用与MGS数据相同的方法,我们观察到类似的趋势,但具有显著差异的基因相对较少。值得注意的是,使用MGS数据分析的阴道革兰氏菌基因中有12.55%在足月队列中显著升高,先前的研究表明,PTB风险因携带不同的阴道革兰氏菌分支而不同。我们通过该研究的数据扩展了这一研究的发现,表明PTB风险也与阴道革兰氏菌的转录活性不同。


3| 怀孕期间阴道微生物组分的纵向分布。该模型结合了BMI,阴道pH,妊娠结局(PTBTB),以及纵向模型对数变换后阴道相关类群相对丰度的随机效应。每个图都绘制了怀孕期间经过对数转换的类群丰度。a,比较PTB(n = 41)TB(n = 90)的图。b,比较非洲和欧洲血统的早产和足月妇女的结果(EA ptbn = 7aa ptbn = 31EA tbn = 13aa tbn = 73)。显示了置信区间(98%)。



4|火山图描述了在感兴趣的分类群的宏转录学数据中,正常和早产儿队列之间有很大差异的转录本。通过将来自PTB(n = 41)TB(n = 81)样品的序列映射到代表56个分类群的基因组的定制数据库来执行分析。使用全局缩放方法与DESeq2进行比较分析。


4、宿主细胞因子在PTB中的表达。

在该研究中检测的九种细胞因子水平,为了检查细胞因子在妊娠发展为PTB过程中的作用,进行了综合稀疏典型相关分析(SCCA),以评估特定细菌分类群与九种关键细胞因子丰度水平的关联。在足月分娩的妇女中,观察到与生态失调和PTB相关的几个分类群以及与所分析的细胞因子之间的强的负相关。所分析的细胞因子,主要是促炎因子,彼此之间以及与PTB相关的分类群之间的关系都是松散的。相反,PTB妇女中,促炎细胞因子和非生物类群形成一个更紧密的簇,表明有更强的正相关性。 


5| 稀疏典型相关分析。来自TB(n = 90)(A)PTB(n = 41)(B)的妇女的阴道样本中的细胞因子水平和分类特征数据进行综合SCCA。蓝色圆圈代表细菌分类群,红色菱形代表细胞因子。在SCCA分析中,紧密聚集在一起的因子是高度正相关的,而彼此相距较远的因子是负相关的。


研究结论:

1PTBTB的横向比较

从为MOMS-PI研究的1572例妊娠中的597例子集的研究中,在超过12000例样本中生成了组学数据,这是迄今为止出版的最大和最全面的多基因组研究之一。此外,对来自45名早产妇女和90名对照妇女阴道样本的纵向组学数据的分析显示,主要是非洲血统的妇女队列中存在PTB的特征。携带L.crepatusPTB负相关,该菌在欧洲血统的妇女中更为普遍,而与PTB呈正相关的BVAB1在非洲血统的妇女中更常见。该研究发现,存在与PTB风险相关的阴道微生物群状态谱,并且这些状态在不同人群中有所不同。

 

2PTBTB的纵向比较

基于纵向的模型研究表明,与PTB相关的类群在怀孕期间阴道环境中趋于减少,特别是在非洲血统的妇女中。考虑到不良妊娠可能是由病原微生物的上升引起的,这一趋势表明,怀孕早期的微生物组分可能在预测不良结局方面最有用。在一项对MOMS-PI TB研究中足月或早产的种族不同的妇女队列的补充分析中,显示了非洲血统的妇女与欧洲血统的妇女相比,微生物群落的纵向动态存在差异。在本研究中,开发了一个概念验证模型,该模型表明BVAB1Prevotella cluster 2S。amniiTM7-H1在怀孕早期的存在可能有助于预测PTB的风险,特别是在高危人群中。BVAB1Prevotella cluster 2S.amniiTM7-H1以及其他类群可能在PTB的病因中起作用。由于BV AB1TM7-H1尚未被培养或遗传特征,从MGS数据中获取了它们的基因组以搜索它们致病潜力的线索。

3宿主细胞因子与微生物群的关系

对来自MOMS-PI PTB研究的阴道细胞因子数据的分析与先前的研究结果一致,即通常与微生态失调相关的细菌分类与促炎细胞因子的表达高度相关,这可能在PTB中发挥作用。分娩与促炎细胞因子表达有关,而早产可由宿主炎症反应诱导。此外还观察到阴道IP-10/CXCL10水平与结核分枝杆菌中的BVAB1呈负相关,与结核分枝杆菌呈正相关,表明怀孕期间宿主-微生物组之间存在复杂的相互作用。

 

总结:

存在与PTB风险相关的阴道微生物群状态谱,并且这些状态在不同人群中有所不同。

构建了关于PTB预测的模型,发现BVAB1Prevotella cluster 2S.amniiTM7-H1在怀孕早期的存在可能有助于预测PTB的风险。

与阴道环境微生态失调相关的菌群与促炎细胞因子的表达高度相关,分娩与促炎细胞因子表达有关,而早产可由宿主炎症反应诱导。怀孕期间宿主-微生物组之间存在复杂的相互作用。

 

参考文献: Jennifer MF, Myrna GS, et al。 The vaginal microbiome and preterm birth [J]。 Nature medicine, 2019, 1012(25): 1021。

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