小鼠铁稳态失衡与肠道菌群变化的相关性研究

发布时间：2020-07-05 19:50

【摘要】：目的铁是生长,全身代谢和免疫反应的必需微量元素。铁是大多数细菌生长和繁殖的关键元素,膳食低铁和铁过量摄入都会使肠道菌群稳态失调,导致肠道菌群多样性被破坏,扰乱宿主系统代谢,出现如局部病原体积聚、诱导炎症反应等,从而促进多种疾病如炎症性肠病、癌症的发生和发展。目前机体铁稳态对肠道菌群的影响还未被完全了解,肠道菌群对宿主铁稳态和铁相关疾病的调控机制尚未完全阐明。本研究拟探究机体铁水平变化对肠道菌群的影响,并运用肠道菌群测序数据评估肝组织内铁含量,为铁代谢相关疾病的研究提供线索。方法1、给6周龄C57BL/6J雄性小鼠喂食基于Ain93G标准的缺铁、高铁和对照饲料,持续12周,构建系统性缺铁、铁过载和对照小鼠模型。测量小鼠体重变化、血红蛋白和血细胞比容,测定肝脏、小肠上皮和粪便铁含量,荧光定量PCR探究肝脏、小肠上皮铁代谢相关基因表达情况。2、收集小鼠粪便,分离粪便总细菌DNA进行16S rRNA测序,将测序数据聚类成操作分类单元OTU后,进行α多样性、β多样性分析和LEfSe分析以对比各组菌群多样性,寻找差异表达的菌种。应用BugBase算法对比细菌表型差异,PICRUSt算法预测细菌的代谢通路,RDA分析探究环境因子、样品、菌种三者之间的关系,Co-occurrence网络分析探究铁含量变化是否引起肠道物种间相互作用的变化。3、随机森林模型鉴定机体铁水平变化时受影响最显著的关键细菌,LASSO回归构建肝脏铁含量和小肠铁含量预测模型。结果1、分别给予小鼠缺铁、高铁或对照饲料12周,缺铁组小鼠体重增加速度显著慢于对照组,缺铁组血红蛋白含量及红细胞压积均低于对照组及铁过载组,铁过载组与对照组无显著差异。在肝脏、小肠上皮组织和粪便铁含量上,铁过载组均显著高于对照组,缺铁组均显著低于对照组。与对照组相比,缺铁组小鼠小肠上皮和肝组织的铁转运相关基因表达均显著上调,铁过载组部分基因表达下调。2、小鼠肠道菌群的α多样性在缺铁组和铁过载组之间差异显著,各组间肠道菌群的β多样性存在显著差异,LEfSe分析显示存在几十种组间差异显著的肠道细菌。BugBase算法未发现肠道细菌的表型存在组间差异,但PICRUSt算法发现了组间肠道细菌的总体代谢功能上存在明显差异。RDA分析发现环境因子包括血红蛋白、红细胞比容、小肠上皮铁含量和粪便铁含量对样本的分组和菌种的差异变化具有重要影响。Co-occurrence网络分析显示各组的肠道菌群网络存在结构上的差异。3、随机森林算法鉴定出5种受系统铁稳态变化影响显著的关键细菌,分别为 Parabacteroides、Pepostreptococcaceae、Akkermansia Muciniphila、Perfingens和Clostridiales。LASSO回归分别构建了肝脏和小肠上皮铁含量的预测模型。结论铁在调节机体系统铁稳态和肠道菌群的相互作用中起重要作用,铁水平异常可扰乱肠道菌群的稳态。本研究通过生物信息学算法检测出与机体铁水平相关的五个关键菌种,用预测模型建立了肠道菌群和组织铁水平之间的联系,为系统铁稳态与肠道菌群之间的联系提供了证据,以及为铁稳态失衡和铁异常的相关疾病如肝细胞癌的早期诊断提供了线索。
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R57
【图文】：

曲线,膳食铁,铁相,铁过载

我们通过改变膳食铁含量分别构建铁缺乏小鼠模型、铁过载小鼠模逡逑型和标准对照小鼠模型。分别给予６周龄Ｃ５７ＢＬ／６Ｊ小鼠标准饲料Ａｉｎ９３Ｇ、缺逡逑铁词料或高铁饲料，喂养１２周（图１－１Ａ）。结果显示，给予缺铁饲料喂养的小逡逑鼠体重增加速度最慢，而铁过载小鼠体重增加速度最快（图１－１Ｂ）；喂养１２周逡逑后，缺铁小鼠尾静脉血中血红蛋白含量及红细胞压积均低于对照小鼠及铁过载逡逑小鼠，与对照小鼠相比，铁过载小鼠的血红蛋白含量与红细胞压积均未显示显逡逑著差异。（图１－１邋Ｃ－Ｄ）逡逑Ａ邋ｍ逦Ｂ逦Ｃ逦Ｄ逡逑Ｈ逦N上：＝Ｇ逡逑Ａｉｎ９３Ｇ／ＦｅＤ／ＦｅＥ逦Ｅ邋３0．逦」１５」逦■邋ＦｅＥ逡逑Ｗｅｅｋ邋１逦—逦？邋Ｄｉｅｔ邋ｆｅｅｄｉｎｇ逦0＞逦＂§＞逦］逦＿逦彡邋４０－逡逑Ｂｏｄｙ邋ｗｅｉｇｈｔ逦｜２５－逦１逦１０邋ｉ逦Ｍ逦Ｉ邋Ｉ逦｜逦Ａ逦Ｉ逡逑Ｂｌｏｏｄ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒ逦￥逦／逦＾逦？逦■丨逡逑｜邋Ｆｅｃａｌ邋ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ逦｜＇２0｜，逦｜逦■逦■邋■逦！邋２０－丨■逡逑Ｗｅｅｋ邋１２邋N—丨逦＇＇Ｉ逦ｌｉ逦＿逡逑Ｓａｃ邋ｍｉｃｅ邋ｆｏｒ逦°５￣Ｊ￣＾￣｜５逦0ＵＢＪＢＬＭ＿逡逑ｔｉｓｓｅ邋ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ逦ｗｅｅｋ逡逑ａｎｄ邋ａｎａｌｙｓｉｓ逡逑图１－１饮食中不同的膳食铁水平扰乱了全身铁稳态并改变了与铁相关的参数水平。（Ａ）逡逑对照、缺铁及铁过载小鼠模型构建模式图。（Ｂ）三种不同铁含量饮食下Ｃ５７ＢＬ／６Ｊ小鼠的体逡逑重曲线。（Ｃ－Ｄ）三种不同铁含量饮食下Ｃ５７ＢＬ／６Ｊ小鼠的血红蛋白和血细胞比容。每组小鼠逡逑数目ｎ＝９（＊表示ｐ＜０．０５

物种多样,随机抽样,测序,铁过载

高于对照组（Ｏｂｓｅｒｖｅｄ邋ＯＴＵｓ邋ｐ＝０．０８３，香农指数邋ｐ＝０．１７，Ｃｈａｏｌ邋指数邋ｐ＝０．０７８），逡逑但均不具有统计学差异，但铁过载组显著高于缺铁组（Ｏｂｓｅｒｖｅｄ邋ＯＴＵｓ邋ｐ＝０．００６，逡逑香农指数ｐ＝0．00１４，Ｃｈａｏｌ指数ｐ＝０．００２２），具有统计学差异（图２－２Ａ）。逡逑为了显示不同分组间菌群结构上的差异，我们分别使用Ｂｒａｙ邋ｃｕｒｔｉｓｅ、Ｂｉｎａｒｙ逡逑ｊａｃｃａｒｄ和ｕｎｗｅｉｇｈｔｅｄ邋ｕｎｉｆｒａｃ算法进行（３多样性分析，并通过主坐标分析ＰＣｏＡ逡逑来比较各组之间的肠道菌群的差异性。３种算法的结果都显示，在ＰＣｏＡｌ轴上，逡逑对照组、缺铁组和铁过载组中任何两组之间的卩多样性都具有显着差异（图２－２Ｂ）。逡逑接下来我们比较三组中细菌在物种水平上的相对丰度差异，并利用热图显逡逑示相对丰度具有显著差异（ｐ＜0．0５）的物种，结果显示，在这些菌种中，缺铁组逡逑２８逡逑

肠道菌群,多样性,铁过载,丰度

逦颂士学位论文逦逡逑中相对丰度低的菌种，在铁过载组中相对丰度较高；铁过载组中相对丰度高的逡逑菌种，在缺铁组中相对丰度较低，对照组菌种的相对丰度介于两者之间，说明逡逑不同铁含量饲料喂养的小鼠，其肠道菌群的优势群组成不同（图２－２Ｃ）。逡逑另外，我们应用线性判别分析效应分析（ＬＥｆＳｅ分析）寻找组与组之间具有逡逑统计学差异的物种，并绘制系统发育树。结果显示ＬＥｆＳｅ分析确定出对照组有逡逑３４种，缺铁组有１８种，铁过载组有１１种细菌有相对丰度的显著升高（图２－２Ｄ）。逡逑

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