《Nature》在線長文發表江西農業大學重大研究成果

在國際農業動物領域(豬、牛、羊、雞等)第一個鑒別到宿主基因組影響腸道菌群組成的因果突變并系統闡明其作用機理

發布者:gaoyun發布時間:2022-04-27瀏覽次數:203

4月27北京時間23:00,國際著名學術期刊《Nature》(《自然》)在線長文發表江西農業大學豬遺傳改良與養殖技術國家重點實驗室黃路生院士團隊的重大研究成果:發現ABO血型基因通過調節N-乙酰半乳糖胺濃度顯著影響豬腸道中丹毒絲菌科相關細菌的豐度,并系統地闡明了其作用機理。這是目前為止,國際上整個農業動物領域(豬、牛、、雞等)第一個鑒別到宿主基因組影響腸道菌群組成的因果突變并系統闡明中的作用機理。中國科學院院士、中國畜牧獸醫學會理事長黃路生,江西農業大學首席教授陳從英、江西農業大學引進專家米歇爾?喬治教授為文章共同通訊作者,江西農業大學楊慧博士、吳金鴛博士為文章共同第一作者。

這是迄今為止江西省和中國畜牧學領域首篇《Nature》發表的研究長文,同時也是國際豬基因組與遺傳育種領域近20年來第三篇在《Nature》發表的研究論文(上一篇是2012年),對我國種業自主創新工作有重要意義。


兩個世代的家豬嵌合家系中研究同個體不同日齡、不同腸道部位腸道菌群組成與豐度的遺傳力,

解析宿主遺傳變異對腸道菌群組成的因果機制及其生物學機理。


背景介紹:不同個體的腸道菌群組成各不相同并且與健康密切相關,宿主的遺傳變異是否以及如何影響其自身的腸道菌群組成是一個國際研究熱點及難點。由于受到環境、飲食、健康狀況以及宿主遺傳變異的多重影響,許多研究尤其是在人類中的研究)難于被重復,因此Nature及其子刊發表了不少爭論文章。

針對這一世界難題,項目組以家豬為研究材料,為了增加宿主個體的遺傳變異,首先用12年時間構建了一個由全世界八個不同的商業品種及中國地方豬種混合雜交而成的嵌合家系第六及第七世代群體,同時通過嚴格控制飼料、飼養、健康及環境條件,從以下五個方面系統研究并解答了這一難點問題:

、發現同一個體不同發育階段及腸道部位菌群組成的異質性:通過兩個世代(F6和F7)1500個實驗個體,每個個體持續測定3個時間點(出生后25、120及240天),并在出生后第240天屠宰測定每個個體三個腸道部位(回腸、盲腸、糞便)的腸道細菌組成,證明腸道菌群的組成、豐度具有生長階段腸道部位的廣泛特異性及多樣性。而目前國際上通常研究中采集的糞便樣品僅能代表菌群組成的一部分;

、發現腸道菌群組成及豐度的可遺傳性:通過對實驗豬只的飼料、飼養、健康及環境條件的統一標準管理,F6和F7兩個世代中分別鑒別到1050和955個細菌分類(OTU和taxa)可遺傳,最高遺傳力可達0.598 (YRC22屬),450個可遺傳的細菌分類在F6和F7兩個世代中被重復驗證,并且部分可遺傳的細菌分類與人類腸道中的研究結果相一致,如Christensenellaece在人和豬中都具有高的遺傳力,由此證明腸道菌群的組成是可以遺傳的;

、鑒別影響不同階段及不同部位腸道菌群組成的宿主基因組變異位點:項目對兩個世代1430個嵌合個體進行全基因組重測序,共鑒別到3000多萬個宿主基因組變異(即基因組上每100bp就有1個變異)?;谏鲜龈叨冗z傳變異的實驗群體,對檢測到的8490個細菌分類進行了全基因組關聯分析,共檢測到1527個顯著影響846個細菌分類的豐度或存在與否的宿主基因組變異位點。

、發現并驗證影響特定腸道丹毒絲菌科相關細菌豐度差異的因果基因突變:通過對F6及F7兩個世代大樣本家豬的系統遺傳解析,鑒別到家豬ABO血型系統中一個350萬年前包含第8外顯子的2.3kb缺失變異。這個基因缺失變異直接導致了家豬腸道中丹毒絲菌科相關細菌的豐度差異。對300個F7盲腸組織的全基因組轉錄本分析表明,該2.3kb的缺失突變導致ABO基因一個具有可變第8和第9外顯子的7.4kb轉錄本表達量只有正常轉錄本的1/3,而且這個轉錄本編碼的蛋白質丟失了62%的氨基酸序列(包括7/8的活性位點),導致ABO蛋白的N-乙酰半乳糖胺轉移酶失去活性?;谇逗霞蚁等后w的祖代八個家豬品種、亞洲野豬、歐洲野豬、蘇門答臘野豬、菲律賓疣豬、印度尼西亞爪哇疣豬和非洲普通疣豬,對這個ABO基因2.3kb缺失進行溯源,發現這個2.3kb的基因缺失突變在所有的祖代八個豬種、亞洲和歐洲/美洲野豬以及印度疣豬中均有存在而且突變的斷點序列在所有樣本中一致,從而證實豬屬中的這個ABO基因2.3kb缺失屬于古老突變并存在平衡選擇。

、系統研究并清晰探明發現宿主基因組因果突變位點影響腸道丹毒絲菌豐度的機制:ABO基因2.3kb的缺失(O型血個體)導致編碼的蛋白質無N-乙酰半乳糖胺轉移酶活性,因此無法把N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)添加到腸道粘液中高度糖基化的黏蛋白上,導致OO基因型個體腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度降低,從而影響依賴N-乙酰半乳糖胺作為碳源的細菌的生長?;谏鲜黾僭O,系統開展了以下工作:

1. ABO血型顯著影響腸道糖胺濃度:在屠宰測定的278頭實驗豬中,使用靶向代謝組方法測定AA、AO和OO基因型個體盲腸內容物中N-乙酰半乳糖胺濃度,證實ABO血型顯著影響腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度。

2. 腸道糖胺濃度直接影響丹毒絲菌科相關細菌豐度:屠宰測定的278頭實驗豬分析盲腸中N-乙酰半乳糖胺濃度和受ABO血型影響的丹毒絲菌科相關細菌豐度的關聯性,發現即使是在同一種基因型的個體間盲腸內容物中N-乙酰半乳糖胺濃度和丹毒絲菌科相關細菌豐度顯著相關,表明ABO血型是通過影響腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度從而影響丹毒絲菌科相關細菌豐度。

3. 分離目標細菌,基于基因組全長測序,探尋目標細菌利用糖胺的分子機制:1)從家豬分離培養了2株與受ABO血型影響的丹毒絲科相關細菌的16S rRNA基因序列相似性達到100%及99.8%的菌株,并用三代測序獲得了兩株菌的全基因組序列。(2)利用宏基因組測序,構建廣泛代表野豬、地方豬、商業豬不同性別、日齡、腸道部位及健康狀況的92個個體3111個宏基因組組裝基因組(包含248個丹毒絲菌科基因組)作為對照,系統分析了24個參與N-乙酰半乳糖胺利用的基因,包括11個與N-乙酰半乳糖胺轉運相關基因、2個GalNAc-6P去乙酰酶基因、2個六磷酸半乳糖胺異構酶/脫氨酶基因、3個六磷酸塔格糖激酶基因、4個1,6-二磷酸塔格糖醛縮酶基因和2個調節阻遏蛋白基因在2株受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株基因組和3111個宏基因組組裝基因組中的分布情況。發現與GalNAc轉運和代謝相關的基因趨向于聚集在一起形成共調節的基因操縱子。通過計算和比較代謝通路值和調節子值,發現受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株具有更完整的GalNAc轉運和代謝通路,且代謝通路基因形成操縱子樣基因簇,其它丹毒絲菌次之,丹毒絲菌以外的2863菌種最低。

4. 體外培養實驗證實,目標丹毒絲菌利用糖胺的轉錄機制:利用體外培養基培養分離的目標丹毒絲菌科菌株,添加糖胺促進了目標菌株生長;收集并測定菌株轉錄組分析表明,受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株與GalNAc轉運和代謝相關的操縱子樣基因簇一直處于表達狀態,與是否添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc誘導無關;而對照組的大腸桿菌菌株則是在添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc誘導后表達;

5. 證實受ABO血型影響的丹毒絲菌確實利用N-乙酰半乳糖胺:使用C13標記的GalNAc飼喂體外培養的受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株,在培養13小時后收集菌體培養物進行C13標記的代謝物測定,發現GalNAc的代謝產物如三磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮都被C13標記,該代謝流實驗進一步證實了受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株能夠利用GalNAc。

6. 無菌小鼠灌喂實驗證實,添加N-乙酰半乳糖胺促進了目標丹毒絲菌科菌株的生長:10只無菌昆明系母鼠同時灌喂分離培養的受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株和對照的大腸桿菌菌株,平均分成兩組分別灌喂200mg/kg體重的GalNAc或對照的無菌PBS,12天測定實驗小鼠盲腸中丹毒絲菌科菌株和對照的大腸桿菌的豐度,證實添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc會顯著影響腸道中丹毒絲菌科相關細菌豐度,而對照的大腸桿菌豐度則不受影響。


項目發現的主要意義:項目歷時十幾年,通過對兩個世代1500多個個體,每個個體三個生長階段和三個腸道部位共5100多個樣品的系統研究,有力證明宿主遺傳會影響腸道菌群的組成和豐度。發現并驗證ABO血型基因的一個350萬年前的2.3kb缺失導致家豬腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度的降低,從而使其丹毒絲菌關細菌豐度的下降。這是國際上所有農業動物(豬、牛、羊、雞等)第一個被發現的宿主基因組影響腸道菌群的因果基因突變。該發現對于借助同樣的手段研發宿主遺傳通過影響腸道菌群調節飼料轉化效率和促進生長新技術,培育節糧型和快長型新品種具有重要參考意義。同時,項目研究發現的丹毒絲菌科在人類中報道與肥胖、膽固醇代謝以及結直腸癌等相關。豬的消化系統、基因組成和器官大小等與人類相似,特別相比較于小鼠,其腸道菌群組成與人類更為相似。因此,利用豬作為模式動物,從腸道菌群和宿主基因互作出發研究人類上述疾病發病機理及菌群調控技術也具有重要的參考意義。

 

   作者簡介: 

   第一作者:楊慧,1989年生;農學博士,江西農業大學生物科學與工程學院青年副教授,碩士研究生導師,人社部“博新計劃”獲得者。2017年受聘江西農業大學“未來之星”特聘崗,主要研究領域為豬重要經濟性狀與腸道微生物、菌群與宿主遺傳互作。先后主持和參與國家級和省部級課題6項,累計發表學術論文20余篇,以第一作者或通訊作者在Nature、Frontiers in Microbiology和Journal of animal science等國際領域SCI刊物上發表論文7篇。

   共同第一作者:吳金鴛,1992年生;江西農業大學農學博士。主要從事腸道菌群與宿主遺傳互作、微生物培養組和代謝組等方面的研究。先后參與國家級科研項目2項,累計發表學術論文10余篇。以第一作者,共同一作或通訊作者在Nature、BMC microbiology等國際領域SCI刊物上發表論文2篇,國內A類刊物發表論文1篇。

   共同通訊作者:陳從英,1975年生;江西農業大學研究員,博士研究生導師,德國哥廷根大學農學博士,江西省高層次人才理事會副秘書長。主要從事豬腸道菌群與宿主基因互作研究和教學工作。先后主持或參與國家級科研項目10余項,累計發表學術論文60多篇,其中以第一作者或通訊作者在Nature、Nature Communications、Microbiome等國際領域內重要SCI刊物上發表論文36篇,在國內A類刊物發表論文12篇。作為主要參與者獲國家教學成果二等獎、國家科技進步二等獎、江西省科技進步一等獎、江西省科技進步二等獎、中華農業科技獎優秀創新團隊獎、中國僑界貢獻獎(創新人才獎)各1項。

   通訊作者:黃路生,1965年生;中國科學院院士,發展中國家科學院院士,中國畜牧獸醫學會理事長,國家畜禽遺傳資源委員會主任。德國洪堡學者,國家杰出青年基金獲得者。長期從事畜禽育種研究。在基礎研究上,全面系統解析中西方野豬及家豬種質資源特性,鑒別的家豬主要經濟性狀因果基因突變占全球1/3; 以通訊作者在Nature, Nature Genetics, Nature Communications,Microbiome發表重要學術成果100多篇。在技術創制上,自主研發的家豬育種基因芯片“中芯1號”各項性能全面超過美國,處于世界領先水平并已成為中國家豬育種主流技術。在產品創造上,培育的華系種豬第一父本達到國際先進水平。以第一主持人獲國家技術發明二等獎、國家科技進步二等獎、何梁何利獎、全國勞模等重要獎勵。

 

成果發表鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-04769-z


供稿:省部共建豬遺傳改良與養殖技術國家重點實驗室  審核:科技處、宣傳部



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