文獻速遞
全世界早產的發生率超過 10％。各國的早產率存在顯著差異，在美國，非裔婦女承擔著極大的早產風險負擔。
本研究介紹了作為 iHMP 項目的一部分，囊括了約 12,000 個樣本的“組學”數據。
縱向分析了來自 45 名早產和 90 名足月出生對照的婦女陰道 16S rRNA、宏基因組，宏轉錄組和細胞因子譜數據，揭示了主要為非裔美國婦女的早產陰道微生物的特徵。
研究結果顯示，早產產婦的陰道菌群多樣性增加，捲曲乳桿菌的丰度降低，細菌性陰道炎相關細菌1（BVAB1）、TM7-H1、一組 Prevotella 物種和 9 個額外的分類群的丰度增加；並首次報道了 BVAB1 及 TM7-H1 的基因組。
早產相關分類群與陰道分泌物中的促炎細胞因子水平顯著相關。
這些研究發現將為了評估早產風險的工作添磚加瓦。
Keywords: vaginal microbiome, preterm birth
Title: The vaginal microbiome and preterm birth
DOI: 10.1038/s41591-019-0450-2
Journal: Nature Medicine [IF 32.621]
First Authors: Jennifer M Fettweis
Correspondence: Gregory A Buck
Affiliation: Department of Microbiology and Immunology, School of Medicine, Virginia Commonwealth University, Richmond, VA, USA.
Published: 2019-05-29
研究背景
每年全世界大約有 1,500 萬的早產兒，早產除了母親和嬰兒遺傳背景，基因和環境的相互作用對孕周的長短起到作用外，環境因子，包括微生物，對早產也起到了很重要的作用；雖然之前有研究報道生殖道微生物多樣性的增加，加大了早產的風險，陰道 Lactobacillus crispatus 的丰度增加與早產的低風險有關。但是這些研究大部分基於歐洲人，而非洲女性和歐洲女性陰道微生物的組成具有顯著的差異，因此需要進行群體特異的研究，以評估陰道微生物組對 PTB 的風險的廣泛影響。
研究結果
1.iHMP多組學微生物孕期隊列介紹
The Multi-Omic Microbiome Study: Pregnancy Initiative（MOMS-PI）項目一共納入了 1,572 位孕婦志願者，進行了超過 7,000 次隨訪，收集了母親和嬰兒 22 個部位的樣品，其中包括生殖道，子宮頸，口腔，直腸，胎盤，胸腔；收集了 16S rRNA、宏基因組、宏轉錄組、細胞因子譜、脂質譜組學數據（圖1）。
整個項目從這些孕婦及其嬰兒中採集了 206,437 個樣品，篩選了 597 位孕婦測得了 12,039 份數據，具體樣品數據見下表。
圖 1. MOMS-PI resources.
2.生殖道微生物的概況顯示與早產趨勢
本研究報道了 MOMS-PI 項目中 早產（Preterm birth，PTB）隊列研究結果。PTB 組的平均孕期為 34，0/7；足月產（Term Birth，TB）組平均孕期為 40，0/7。本研究選擇的個體，表型除了早產史，胎膜破裂情況在早產組高之外，其他均沒有顯著的差異。
該隊列主要包括非裔美國女性（約 78％），年收入中位數低於 20,000 美元，平均年齡為 26 歲（見下表）。
- 陰道微生物 16S rRNA 橫向分析
首先是陰道微生物的多樣性，TB 和 PTB 兩組整體的多樣性存在顯著差異，但細分到不同的孕期，差異不顯著。
圖 2. Alpha diversity measures for PTB and TB cohorts
接著是微生物物種差異(圖3)。TB 的生殖道微生物更多個體以 L. crispatus 為優勢物種，而在 PTB 中，以 BVAB1為 優勢的個體要多於 TB，且沒有優勢物種（No type）的個體也多於 TB；
Sneathia amnii 和 BVAB1 在 PTB 中丰度較高，已有文獻報道與 PTB 有關；
在孕中期前的樣品中發現了兩個與生殖道健康相關的物種（Megasphaera type 1 和TM7-H1）在 PTB 具有較高的丰度，這是第一次報告了 TM7-H1 與 PTB 有關。
圖3. Bacterial taxa associated with spontaneous PTB.
然後作者評估了運用這些差異物種構建疾病預測模型的效果。
通過 L1-regularized logistic regression 將權重給到物種構成的早產預測模型，靈敏度和特異性分別為 77.4% 及 76.3%，精度和靈敏度比單用臨床數據高出 5-7%，但 AUC 略有減少。這模型含的 4 個物種：S. amnii、BVAB1、Prevotella cluster 2 和 TM7-H1。這 4 個物種均與早產呈正相關，與生殖道失調相關的物種呈正相關（圖 4）。
圖4. Bacterial taxa associated with spontaneous PTB. Taxa abbreviations: Lcricl, L. crispatus cluster; BVAB1, Lachnospiraceae BVAB1; Pcl2, Prevotella cluster 2; Samn, S. amnii; Dcl51, Dialister cluster 51; Pamn, P. amnii; BVAB2, Clostridiales BVAB2; CO27, Coriobacteriaceae OTU27; Dmic, Dialister micraerophilus; P142, Parvimonas OTU142.
- 陰道微生物 16S rRNA 縱向分析
作者再將橫向研究結果擴展到縱向研究分析中，結果發現，許多在橫斷面確定為與 PTB 相關的物種，在縱向分析中也與 PTB 有關，除了兩個在 TB 丰度增加的 Lactobacillus 外，其他物種在 PTB 個體的孕期期間整體呈下降趨勢，而這些物種在 TB 個體的孕期較為穩定。
血統分層的結果顯示，與 PTB 相關的物種主要在非裔 PTB 個體的孕期變化，歐裔 PTB 個體的微生物組成比較穩定。
這些結果表明生殖道微生物的動態變化因血統而異，非裔婦女在整個妊娠期微生物的降低更為顯著。
圖5. Longitudinal GAMM of vaginal microbiome composition during pregnancy.
- 陰道微生物宏基因組和宏轉錄組的研究
此外，MOMS-PI PTB 研究還對 496 個縱向樣品進行了宏基因組測序，243 個進行了宏轉錄組測序，以研究微生物物種功能的變化。
結果顯示（圖6），除了 L. crispatus 為優勢物種的個體，其它個體的功能組成相似。
UDP-N-acetyl-d-glucosamine（氨基葡萄糖）合成通路在 L. crispatus 為優勢物種的個體丰度更高。它是肽聚糖的前體，可能與通過 toll-like 通路調節宿主細胞因子的產生有關。
丙酮酸發酵為醋酸鹽和乳酸鹽和磷酸戊糖途徑的非氧化分支在 L. crispatus 為優勢物種的個體中較低，與之前報道的細菌性生殖道疾病個體中乳酸降低，SCFA 濃度增加一致。
圖 6. Metabolic pathway abundance by vagitype.
3.組裝與早產有關的微生物物種
本研究找到了物種 TM7-H 1和 BVAB1 與早產密切相關，但是目前尚未有這兩個物種的基因組，於是作者分別選擇了富含這兩個物種的樣品分別通過 Pacbio 和 Illmina 數據組裝了 TM7-H1 和 BVAB1 基因組。
- BVAB1 的基因組大小約為 1.45M，屬於 Lachnospiraceae，Clostridiales，與目前已知基因組沒有太相似的物種；
- TM7-H1 的基因組大小與為 0.72M，不屬於 Candidatus Saccharibacteria，與已知的口腔 TM7x 的相似度只有 66%，缺乏從頭合成必須氨基酸的能力，可能依賴生殖道的其他生物生存；
兩個物種都能產生 pyruvate, acetate, l-lactate 和 propionate；BVAB1 還能編碼產生acetaldehyde, d-lactate, formate 和 acetyl-CoA；兩者都沒有 tricarboxylate cycle。短鏈脂肪酸的產生與促炎狀態有關，可能與疾病有關。
4.宏基因組和宏轉錄組中與早產有關的細菌
接下來，作者再次關注了與早產相關的細菌在三個組學（16S rRNA、宏基因組和宏轉錄組）數據特徵。
結果表明，雖然物種的比例在不同的數據類型結果中有所差異，但是總體的趨勢來說，物種在這個 3 種數據上是一致的（圖7）。
圖7. Comparison of the proportional abundance of taxa by 16S rRNA (left), metagenomics (middle) and metatranscriptomics (right) in term (blue) and preterm (red) cohorts.
此外，在 16S 分析結果中，與 PTB 相關物種，在宏轉錄組的數據中同樣在 PTB 組具有更高的基因轉錄水平（紅色點），而 L. crispatus 則在 TB 中具有更高的轉錄水平（藍色點）。宏基因組數據表現出相似的結果，但是顯著差的基因比宏轉錄組少很多。
圖8. Volcano plot depicting transcripts that differ greatly between term and preterm cohorts in metatranscriptomics data for taxa of interest.
此外，作者還預測了宏轉錄組中的分泌蛋白。數據表明，預測的分泌蛋白中 81% 在 PTB 具有更高的轉錄丰度，且都由有 PTB 相關的物種分泌，但這還需要進一步驗證這些基因是否有助於微生物介導引起疾病或者 PTB。
圖9. Genes predicted to encode secreted proteins or to be involved in bacterial secretion systems in metatranscriptomics and metagenomics datasets.
5.早產的宿主的細胞因子的表達情況
為了探究細胞因子在妊娠發展到 PTB 中的作用，研究檢測了 9 種細胞因子，包括了interleukin (IL)-1β, IL-6, IL-8, eotaxin, tumor necrosis factor (TNF)-α, IL-17A, macrophage inflammatory protein (MIP)-1β, interferon-γ-induced protein (IP)- 10/chemokine ligand (CXCL)10, RANTES (regulated on activation, normal T cell expressed and secreted)，其中 4 個（IL-1，IL-6，MIP-1，IP10/CXCL10）在 PTB 組丰度顯著增加。並通過了 sCCA（sparse canonical correlation analysis）評估 9 種細胞因子與特定細菌分類群的丰度水平之間的關係。在 TB 組，L. crispatus 與幾個 PTB 或者生態失調有關的物種具有很強的負相關；細胞因子彼此之間以及和 PTB 失調相關的細菌的相關性比較鬆散；在 PTB 組，細胞因子和一些失調相關的物種形成緊密的簇，表明具有很強的正相關。
圖10. Sparse canonical correlation analysis. a,b, Cytokine abundance in vaginal samples from women who experienced TB (n = 90) (a) or PTB (n = 41) (b)
6.交叉研究比較生殖道微生物組和早產
最後，作者還將本研究結果和其他 3 個研究早產的隊列進行了交叉比較，但由於只選擇自然早產的樣品，按 1：2 的比例配對 TB 和 PTB ，符合條件的樣品數目非常少。
此外，本研究找到的差異物種，在其他隊列中並不顯著，可能原因是 PTB 是一種具有多種潛在致病因素的綜合症，生殖道上升的微生物可能只對某些亞型有致病作用，但可能不會在全部的 PTB 中起作用。
圖11. Proportional abundance shown as a log scale of candidate taxa identified in the present study across four PTB cohorts.
M菌 · 筆記
- 值得注意的是本研究是偏向非裔孕婦，而且發現非裔和歐裔孕婦本身就存在顯著差異，所以不是所有的研究放在四海皆准的
- 本研究的 16S rRNA 、宏基因組和宏轉錄組的比較結果為如何選擇三個組學數據提供一個很好的參考
參考文獻
Serrano M G, Parikh H I, Brooks J P, et al. Racioethnic diversity in the dynamics of the vaginal microbiome during pregnancy[J]. Nature medicine, 2019: 1.
撰稿 | Yufen & 三明治 責編 | NSC
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