【多组学】Nature Microbiology（2022 IF 30.964） | 多组学研究慢阻肺病呼吸道菌群-宿主互作机制

杂志名称：

Nature Microbiology（2022 IF 30.964）

文献题目：

Multi-omics analyses of airway host–microbe interactions in chronic obstructive pulmonary disease identify potential therapeutic interventions

第一作者：

闫征征（华南师范大学、南方医科大学）、陈博炫（华南师范大学）、杨宇琼（广州医科大学）、易歆竹（华南师范大学）、魏明远（华南师范大学）

通讯作者：

王璋（华南师范大学）、陈荣昌（深圳市人民医院）、周宏伟（南方医科大学）

作者单位：

华南师范大学、深圳市人民医院、广州医科大学、南方医科大学

发表时间：

2022-08-22

文献全文下载地址：

https://www.nature.com/articles/s41564-022-01196-8

本实验所用产品：

280个炎症相关蛋白定制抗体芯片

实验样本：

痰液、血清

1、慢阻肺痰液宏基因组

研究团队收集了广州与深圳两地共99例慢阻肺患者和36例健康对照的诱导痰进行多组学分析。在广州和深圳队列中，均观察到慢阻肺患者与对照组的菌群存在明显差异，KEGG富集分析发现细菌运输系统和氨基酸生物合成模块在慢阻肺患者中富集，而能量代谢和氨基酸代谢模块在健康人中富集。

2、慢阻肺气道代谢组、宿主转录组和蛋白质组

对痰液样本进行非靶向代谢组学检测发现了1671个代谢分子，部分在慢阻肺患者与健康个体之间差异显著。在宿主转录组中，有126个模块在慢阻肺患者和对照组之间差异表达。

再通过使用RayBiotech定制抗体芯片对280种炎症相关蛋白进行检测，确定了慢阻肺患者和对照组之间差异表达的60种痰液蛋白和38种血清蛋白。

3、多组学联合分析

研究团队假设气道菌群产生或消耗代谢分子，其对宿主基因表达的影响在嗜中性粒细胞和嗜酸性慢阻肺中存在差异，并沿着“菌群-代谢-宿主”轴的多组学模块进行了序贯中介效应分析，以评估微生物组（MetaG）依次通过代谢组（MetaB）、宿主转录组（HostT）、和蛋白质组（HostP）对宿主表型（嗜中性粒细胞和嗜酸性粒细胞炎症）的影响。分析结果表明相对于嗜酸性慢阻肺，嗜中性慢阻肺具有更强的“微生物-宿主”关联效应并最终确定了620和134条分别与嗜中性与嗜酸性慢阻肺相关的“微生物组-代谢组-宿主转录组”互作链条，其中146和39条进一步与痰或血差异蛋白表达关联。

研究人员使用每组关联的多组学模块进行分析发现了一条与色氨酸代谢相关的互作链条具有较高预测功效。其中，代谢组MetaB-M056模块中吲哚-3-乙酸（IAA）代谢物与宏基因组中色氨酸分解代谢途径（P00380）关联，基于IAA与Cyclin D1相互作用的证据，该MetaB模块又与富集至白细胞介素-22（IL-22）信号通路的宿主转录组模块HostT-M318相关联。同时，MetaB-M056与富集至上皮细胞凋亡、IL-1信号和氧化应激的HostT模块具有显著的负相关。痰TNF-alpha、IL-1beta、IL-6以及G-CSF与以上HostT模块相关性最为显著。这些结果共同支撑了一个假说，即慢阻肺气道菌群中色氨酸代谢途径的改变可能导致IAA降低，进而导致对中性粒细胞炎症和上皮细胞凋亡的保护作用丧失。

4、气道微生物来源IAA改善肺功能下降、炎症反应和组织细胞凋亡

为明确气道IAA的来源，鼻内注射抗生素显著降低了小鼠肺部菌载量及肺泡灌洗液（BALF）中的IAA水平；同时，抗生素灌胃未显著降低小鼠肺部菌载量且未改变BALF IAA水平，表明IAA来源于气道菌群。IAA提高了小鼠肺中IL-22和Cyclin D1的水平，验证了人群发现。

IAA减轻肺组织凋亡，改变了凋亡蛋白Bax、Bcl-2和Cleaved Caspase-3的表达。细胞水平上，使用香烟烟雾提取物（CSE）体外处理小鼠巨噬细胞RAW264.7可降低IL-22的产生，而IAA恢复了CSE刺激的巨噬细胞的IL-22水平。上述结果在小鼠原发性肺泡巨噬细胞中也得到了验证。IAA处理RAW264.7可显著减少MLE12细胞的凋亡，这种作用可通过中和IL-22逆转，表明IL-22可能介导肺“巨噬-上皮”互作来缓解上皮凋亡。