2020-03-06瀏覽量:644

『銳翌新文』空氣微小顆粒可附著微生物,或可傳播人類致病菌

3月3日,國家衛健委新公布了《新型冠狀病毒肺炎診療方案(試行第七版)》。其中顯示:在相對封閉的環境中長時間暴露于高濃度氣溶膠情況下中存在經氣溶膠傳播的可能。新型冠狀病毒的傳播途徑是大家非常關心的話題,病毒是否可以通過氣溶膠傳播也引起了不小的爭論。

 

近日,同濟大學附屬第十人民醫院秦楠研究員與清華大學朱聽教授、加州大學圣地亞哥分校Jack Gilbert 教授在《Genome biology》合作發表研究成果《Longitudinal survey of microbiome associated with particulate matter in a megacity》,對北京市一定時期內空氣顆粒物所附著的微生物種類,及其對城市公共衛生的影響,進行了縱向調查。

 

文獻ID

題目:Longitudinal survey of microbiome associated with particulate matter in a megacity

譯名:城市空氣顆粒物相關微生物群落的縱向調查

期刊:Genome biology       IF:14.028

發表時間:2020年3月3日

通訊作者:秦楠、朱聽、Jack Gilbert

合作單位:同濟大學附屬第十人民醫院、清華大學、加州大學圣地亞哥分校、銳翌生物

 

背景

雖然大氣顆粒物(PM)的物理和化學性質已經得到了廣泛研究,但其相關的微生物群落仍未得到充分探究。本研究對2012年10月至2013年3月6個月期間(覆蓋北京幾次嚴重的霧霾事件),北京空氣中細顆粒物(PM2.5)和可吸入顆粒物(PM10)所附著的微生物以宏基因組測序的方法進行了縱向調查。

 

結果

研究者觀察到,盡管時間周期跨越度非常大,PM2.5和PM10各自的微生物組成和潛在功能是保守的。在空氣傳播的微生物中,Propionibacterium acnes(痤瘡丙酸桿菌)、Escherichia coli(大腸埃希氏菌)、Acinetobacter lwoffii(魯氏不動桿菌)、Lactobacillus amylovorus(嗜淀粉乳桿菌)、Lactobacillus reuteri(羅伊氏乳桿菌)以及幾種病毒占較大比例。研究者還進一步確定了顆粒附著微生物中所廣泛涉及的抗生素抗性基因和解毒功能基因,包括轉運蛋白、轉肽酶和硫氧還蛋白等。這其中,許多微生物種類(包括可能來源于人、狗、小鼠糞便的微生物)的檢出率與空氣質量指數(AQI)具有顯著的相關性。本次研究首次證明,空氣顆粒物附著的微生物種類及功能具有豐富的多樣性,甚至與土壤和水環境中的微生物多樣性相當。

 

結論

空氣顆粒物附著的微生物具有極豐富的物種及功能多樣性,其中一些微生物可能與潛在的公共衛生問題相關。

 

研究技術路線

 

測序產品及平臺

宏基因組測序, Illumina Hiseq 4000測序平臺,PE150測序策略

 

研究成果

1、空氣PM2.5顆粒和PM10顆粒微生物組成和差異分析

基于MetaPhlAn2數據庫,絕大多數樣品的宏基因組測序序列注釋到細菌(PM2.5:95.5%,PM10:95.5%),其次是真核生物(PM2.5:1.5%,PM10:2.2%)、古細菌(PM2.5:0.2%,PM10:0.2%)和病毒(PM2.5:2.8%,PM10:4.5%)(圖1b)。除PM10顆粒真核生物Shannon指數顯著高于PM2.5顆粒(P<0.01)外,兩組間在其他物種和基因的α和β多樣性分析均無統計學差異(圖1c,d);在6個月期間,細菌門水平的10個優勢物種發生顯著變化,其中包括在2013年1月的兩次嚴重霧霾事件中,PM10顆粒樣品中厚壁菌門出現顯著峰值(P<0.05,圖1e)。此外,在1月下旬和2月,PM2.5和PM10樣品中注釋到病毒的reads比例也呈現出顯著峰值(圖1e,P<0.01)。

 

圖1 空氣顆粒物微生物組成情況

 

樣品宏基因組測序序列注釋比對了702種細菌、27種真核生物、56種病毒和14種古細菌,其中相對豐度前50的物種占總序列數的71.7%±11.8%(細菌94.6%、真核生物1.4%和病毒4%)。雖然多數相對豐度前50的物種在PM2.5顆粒和PM10顆粒中沒有顯著差異,但其相對豐度隨時間變化很大(圖2a)。相對豐度前50的物種中,有4個物種,即Lactobacillus amylovorus(嗜淀粉乳桿菌)、Lactobacillus reuteri(羅伊氏乳桿菌)、Ustilago maydis(玉米黑粉菌)和Porcine type C oncovirus(豬C型腫瘤病毒)在PM10顆粒中的相對豐度顯著高于PM2.5 顆粒(校正后P<0.1)。值得注意的是,在兩組樣品中表現出顯著差異的30個物種中,有29種富集在PM10顆粒,而只有1種富集在PM2.5顆粒(校正后的P<0.1)。

 

將微生物組成的差異校正距離(Bray-Curtis距離)與主要的氣象學因素相關聯,發現氣溫和露點溫度與PM樣品中物種組成相關性最強(圖2b)。研究者還發現在PM2.5顆粒和PM10顆粒樣品中存在人類病原體DNA片段,這些有害微生物的序列數僅與PM濃度呈弱相關性(圖2c);一些病原體的相對豐度在1月達到峰值,這也與研究期間最嚴重的霧霾事件相吻合。

 

圖2 空氣顆粒物相對豐度較高的微生物種類及其與氣象學因素的相關性分析

 

StrainPhlAn分析結果表明,在一些相對豐度較高的物種中發生了菌株水平上的變異,如Acinetobacter lwoffi(魯氏不動桿菌)、Acinetobacter johnsonii(約氏不動桿菌)、 Escherichia coli(大腸埃希氏菌)、 Kocuria sp. UCR OTCP、Pantoea ananatis(菠蘿泛菌)、 Pantoea dispersa(分散泛菌)、 Propionibacterium acnes(痤瘡丙酸桿菌)和 Rhodococcus sp. R04(紅球菌 R04)。

 

綜合來看,研究者觀察到PM2.5和PM10顆粒微生物的相似性和差異;PM10或更大顆粒可能是由較小顆粒聚集形成的,這可以解釋兩種類型PM樣品間微生物結構的相似性;PM2.5和PM10兩組樣品間的不同微生物結構可能是由于顆粒直徑不同造成的,因為PM2.5與細菌的大小相似,而PM10與真菌的大小相似。

 

2、空氣顆粒微生物核心功能基因分析

研究者試圖確定PM污染物、腸道微生物和海洋微生物之間的核心功能基因重疊,以確定核心功能類別,并比較它們在每個數據庫中的相對重要性。為此,研究者從所有PM樣品中構建了一個包含4,301,891個微生物基因的非冗余基因集,分別包括3,278,420個原核基因和1,023,471個真核基因。與人腸道微生物和海洋相關微生物相比,PM核心包含的功能基因和直系同源基因(OG)的多樣性明顯減少,這可能反映了顆粒物中較低的生物量和限制性的選擇壓力(校正后P<0.05,圖3a-c)。

 

圖3 PM、海洋和腸道微生物基因集和PM微生物網絡拓撲變量的比較

 

接下來,研究者鑒定了可能對35種抗生素產生耐藥性的基因。結果發現,在整個研究期間,編碼抗生素抗性基因的比例保持穩定,且抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)的RPKM值(reads per kilobase per million reads)在PM2.5顆粒和PM10顆粒間沒有顯著差異(圖4a,b),這表明在這種環境下普遍的選擇壓力。編碼青霉烷類抗性基因在PM2.5顆粒和PM10顆粒中所占比例最大(圖4c),而總體上TEM型β-內酰胺酶是最豐富的一類(圖4d)。此外,研究者還發現了PM樣品中的幾種解毒基因(detoxification genes),包括轉運蛋白(ACR轉運蛋白、MatEMFS)、轉肽酶和硫氧還蛋白,其中MFS 1基因占比最大(圖4e,f)。與人腸道微生物和海洋相關微生物相比,PM樣品不同ARGs和解毒基因數量最大(校正后P<0.01),但相應的RPKM值與人腸道微生物相同(圖4g-j)。使用與移動遺傳元件(mobile genetic elements ,MGEs)相關的ARGs的百分比評估PM樣品中ARGs的風險。經統計,有982個(5.0%) contigs至少含有一個MGE,379個(1.9%) contigs包含多重耐藥基因簇( multidrug resistance clusters,MDRCs)。最值得注意的是,在霧霾最嚴重的1月份,ARG風險達到了一個顯著的峰值。

 

圖4 兩種類型PM及與人腸道、海洋微生物含有的抗性基因和解毒基因比較分析

 

隨后,研究者采用網絡分析來檢查具有不同PM度量樣品中的微生物結構和共生模式。研究者使用中心性、接近中心性和度中心性等參數來表征兩組樣品的微生物結構。分析結果表明,網絡復雜度與較高的中介中心性、較低的接近中心性和較高的度中心性有關,PM10顆粒的網絡復雜度更高(圖3d,e,校正后P<0.05)。同樣PM10顆粒具有更密集的網絡,這表明在6個月期間,有更多的分類群具有相似的分布;且與PM2.5顆粒樣品相關的分類群相比,PM10顆粒具有更大的共關聯度。

 

3、基于空氣質量指數,PM2.5顆粒和PM10顆粒物種和基因多樣性分析

根據空氣質量指數(AQI)分類,研究者將PM2.5和PM10樣品劃分為五個不同分組,兩組間的物種和基因多樣性均不同(圖5)。PM10顆粒樣品在AQI I組中的物種多樣性均低于AQI III組和AQI IV組(圖5d-k,校正后P<0.05)。AQI II組中的解毒基因數量大于AQI I組(校正后P<0.05)。

 

圖5 根據AQI分類,兩種類型PM的物種和基因多樣性情況

 

研究者還發現,基于5個AQI組的PM10顆粒樣品中各個物種的檢出率動態,可將物種分為4個集群(圖6a):Cluster 1中包含超過一半的物種,這些物種通常在不到10%的PM樣品中能夠檢測到;Clusters 2和3中的物種檢出率在AQI II-V組明顯增加,而在AQI I組中較低;除AQI V組外,其余各組的檢出率均低于0.5,而Cluster 3的物種在各組中的檢出率均高于0.5;4個集群中物種數量最少的Cluster 4,在所有PM樣品(五個AQI組)中,保持了接近于1的高檢出率。且在門和種水平,這4個集群的物種組成均有顯著差異(圖6b、c)。

 

圖6 PM10顆粒樣品的5個PM濃度中各個物種的檢出率聚類結果

 

隨后,研究者使用MaAsLin計算了物種與污染物濃度之間的相關系數。總體而言,PM10顆粒中有152個物種與污染物濃度相關,顯著高于PM2.5顆粒(49個物種,校正后P<0.1)。更重要的是,PM10顆粒樣品中檢測到的多數物種相對豐度在低AQI水平(I或II)和高AQI水平(IV或V)間存在顯著差異,而在PM2.5顆粒中卻沒有表現出這樣的結果(校正后P<0.1)。與人類感染相關的微生物,如Pseudomonas aeruginosa(銅綠假單胞菌)與PM2.5顆粒和PM10顆粒樣品的污染物濃度均呈正相關(校正后P<0.05),Stenotrophomonas maltophilia(嗜麥芽窄食單胞菌)與PM10樣品中污染物濃度呈正相關。此外,霧霾最嚴重的1月份有72個微生物出現了明顯的高峰值,其中包括許多人類相關共生菌和潛在病原體,如P. aeruginosa(銅綠假單胞菌)、S. maltophilia(嗜麥芽窄食單胞菌)和Talaromyces marneffei(馬爾尼菲籃狀菌),以及潛在的雞相關病原體,如Gallid herpesvirus(禽皰疹病毒)和avian endogenous retrovirus(禽內源性逆轉錄病毒,AEV)。

 

最后,結合現有的人、狗、豬和小鼠糞便宏基因組數據庫,研究者研究了不同潛在來源的微生物與五個AQI組之間的關系。隨著污染物濃度的增加,人、狗和豬腸道相關微生物在PM2.5顆粒(相關系數r分別為0.36、0.37、0.33,校正后P<0.05)和PM10顆粒(相關系數r分別為0.50、0.54、0.43,校正后<0.01)樣品中的比例顯著增加,其中PM10樣品的趨勢更為明顯(圖5l)。與PM2.5顆粒樣品相比,在PM10顆粒樣品中人糞便相關的微生物也存在顯著差異(P=0.029,基于Bray-Curtis距離度量的物種豐度Anosim檢驗)。

 

研究亮點和未來方向

1、本研究揭示了北京空氣顆粒微生物種類和抗性基因的多樣性;

①隨著空氣污染水平的增加(嚴重的霧霾事件),潛在病原體載量和抗生素耐藥性增加,促進了人在病原菌及抗性基因環境下的暴露。

②空氣顆粒物還含有若干攜帶抗性基因的細菌,且這些抗性基因可能存在水平基因轉移。

2、基于空氣質量指數的分析顯示,許多微生物(包括一些哺乳動物的腸道微生物)在5種不同空氣質量指數的樣品中變化明顯,且這種依賴于空氣質量指數的動態變化受顆粒物大小影響。

3、本研究有助于我們更好地理解依賴顆粒物大小的微生物動力學,尤其是與不同霧霾事件相關的微生物動力學。

4、本研究為城市空氣顆粒物相關微生物來源于潛在環境及哺乳動物提供了更多的證據,并從微生物角度解釋了不同空氣污染水平與潛在健康風險相關。

 

公司介紹

上海銳翌生物科技有限公司成立于2014年10月,是一家專業從事基因科技健康服務的國家高新技術企業。銳翌生物依托高通量測序技術平臺,專注于人體微生物組前沿技術和研究成果在基礎科研領域的突破,以及在醫學上的轉化應用。助力高等院校、科研機構或醫院的科研工作者多角度、全面地探究和解決科學問題,助力更多優質科研成果發表。同時,在大腸癌早期篩查臨床病原宏基因組檢測健康管理等精準醫療領域開發檢測技術及應用方案,致力于為醫療機構提供疾病早期檢測和健康綜合管理服務,目前已和全國300多家頂級醫院達成深度合作。   

 

公司于2018年獲評“上海閔行十大科技創業新銳”企業稱號,目前已在杭州、青島、濟南、貴陽等地成立區域中心。其中,濟南醫學檢驗所于2016年被授予“國家基因檢測技術應用示范中心”稱號,青島醫學檢驗所于2019年9月投入使用。

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