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腸型分析 (Enterotypes)


腸型分析(Enterotypes)


腸型的發現  

2011年,在nature雜誌第一次提出腸型的概念,並將其定義為“聚集在高維空間裡的微生物體特徵,是有限的宿主-微生物共生穩態時的微生物群落結構”;最早提出有3種腸型,分別以富集擬桿菌Bacteroides、普氏菌Prevotella和瘤胃球菌Ruminococcus(species group)為特徵;此發現被當年Science雜誌評為2011年度重大科技突破事件 [1]



腸型的發展  


2011年,Science雜誌報導稱長期的飲食習慣與腸型的形成是顯著相關的,並且兩種明顯的腸型分別對應了兩種不同的飲食習慣( Bacteroides ——高脂肪高蛋白,Prevotella ——高纖維)。


2012年NC報導黑猩猩也有腸型並且微生物組成與人類相似;2014年PNAS報導野生小鼠也有與人類及黑猩猩相似的腸型並與小鼠的飲食習慣相關。腸型在人或哺乳動物中都是普遍存在的。


2014年nature再次報導腸型分析的最新結果,此次分析中研究者提出4種腸型,除去之前報導中的3種腸型,還發現一種含有最少的Bacteroides但富含Firmicutes的腸型。[2,3,4]


gut_carton.png 



腸型的應用  


1、腸道菌準確定位:

腸型的確認可以明確飲食、年齡等其他因素對腸道菌群多樣性的貢獻,從而更準確的挖掘與疾病相關的腸道功能菌;

2、疾病預測和治療:

明確腸型以及宿主特定腸型的形成機理和腸型間的轉變過程對於菌群失調等疾病風險的預測和個體化治療具有重要作用。

 

應用案例  


1、總體基因體關聯分析在II型糖尿病例中的應用[5] 

基於74例健康人和71例II型糖尿病患者的腸道總體基因體數據進行了腸型分析,結果將145個樣本共分為3種腸型,分別以Bacteroides、Prevotella、Bifidobacterium和Ruminococcus聚集最多。研究中利用PCA分析了與腸道微生物組成相關的五種主成分,其中腸型對腸道微生物的組成起了主導地位,佔據第一和第二主成分,而II型糖尿病的貢獻僅佔據第五主成分,由此進而可以更準確的挖掘與II型糖尿病相關的腸道微生物。

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圖1 145例樣本基於腸型的PCA分析

 
2、結腸癌與腸道微生物[6]

研究中基於63例健康人、47例結腸腺瘤患者、46例結腸癌患者的糞便樣本,進行總體基因體定序分析。基於屬階層相對豐度,將該156個樣本分為2種腸型,每一種腸型中都包含健康人、結腸腺瘤患者以及結腸癌患者。有規律的是,結腸腺瘤和結腸癌患者以富集擬桿菌Bacteroides的腸型為主,而健康人群富集Ruminococcus佔據主導地位,研究顯示隨著結腸癌的發生和發展,機體的腸型存在由Ruminococcus腸型向Bacteroides腸型轉變的趨勢。腸型的分析對於檢測宿主是否存在不同程度的疾病風險有著重要意義。


gut_distribution.png
圖2 健康人和患者腸型分佈

注:紅色為Ruminococcus腸型,綠色為Bacteroides腸型



參考文獻:

[1] Manimozhiyan A, Jeroen R, Eric P, et al . Enterotypes of the human gut microbiome. Nature.  2011, 473(7346): 174-180.

[2] Wu GD, Christian H, Kyle B, et al . Linking Long-Term Dietary Patterns with Gut Microbial Enterotypes. Science.  2011, 334(6052): 105-108.

[3] Moeller AH, DegnanPH, Pusey AE, et al . Chimpanzees and humans harbour compositionally similar gut enterotypes. Nat Commun.  2012, 3(6): 542-555.

[4] Bresson F, Maury L,Bonniec PL, et al . Dietary history contributes to enterotype-like clustering and functional metagenomic content in the intestinal microbiome of wild mice. Neuropsychologia . 2014, 111(26): E2703-E2710.

[5] Qin J, Li Y, Cai Z, et al . A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes. Nature.  2012, 490(7418): 55-60.

[6] Feng Q, Liang S, Jia H, et al . Gut microbiome development along the colorectal adenoma–carcinoma sequence. Nat Commun.  2015, 6.



圖爾思生物科技 / 諾禾致源文案

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