环境宏基因组测序揭示微生物与哮喘/鼻炎发病的城乡差异规律
近期，派森诺与华南农业大学、复旦大学合作，再次在《Microbiome》发表论文，结合人群健康数据和自我管理问卷调查，对中国城市和乡村学校的教室环境中的微生物组进行了比较分析，研究了室内环境微生物组及其功能途径与呼吸道症状（哮喘、过敏性鼻炎等）之间的关联性，可喜可贺！
研究背景
相关研究和数据统计显示，全球哮喘和鼻炎患者的数量已超过3.5亿和7亿，还有更多的人患有各种哮喘症状，如呼吸急促或胸闷等。这些慢性呼吸道疾病存在一种有趣的现象，具体表现在城市地区的发病率远高于农场或农村地区。发达国家已有研究表明，这一现象可能与城市化和室内微生物暴露的变化有关，但是，其中起保护作用的微生物有哪些，具体通过什么功能通路实现健康效应，至今还未得到解答。许多发展中国家在过去的二十年中经历了快速的城市化进程，但这些地区城乡之间微生物群的变化与哮喘和鼻炎之间的潜在关系尚不清晰。作者由此入手，开展本研究。
研究方法
实验对象：9所学校（4所农村和5所城市）的33份灰尘样本
测序方法：宏基因组测序（Illumina HiSeq X-ten PE150）
实验设计：随机选取山西省太原市城市高中5所和农村高中5所，在每所学校随机选取4-5个教室进行灰尘样本采集，随后抽取1332名学生填写健康数据调查问卷。灰尘样本利用宏基因组测序手段分析微生物以及功能的组成，并结合问卷调查数据，探究微生物暴露与城乡呼吸道症状（包括哮喘、鼻炎、鼻结膜炎（有并发症的过敏性鼻炎））之间的联系。
研究结果
- 哮喘和鼻炎症状的流行性调查
本研究参与调查的1332名学生中，平均年龄在16岁左右，男女比例均等；城市学生较农村学生多30%左右。调查结果显示，山西省学生确诊的哮喘病例占比较低（0.9%），呈现出城市高于农村的趋势；哮鸣和鼻炎患病率城市地区显著高于农村地区（P<0.05），此结果与发达国家一致。
- 城市和农村学校环境微生物群落变化及与呼吸道症状间的相关性
宏基因组测序结果显示，教室灰尘中有8302种细菌、395种古细菌、744种真菌、524种原生生物和1103种病毒。Actinobacteria（49.7%）、Gammaproteobacteria（18.4%）和Alphaproteobacteria（10.0%）是优势的细菌纲。整体微生物组成在城市和农村学校之间存在显著差异（P=0.01）。
研究通过NMDS分析进一步表征了整体微生物组组成的变化。来自城市和农村学校的样本分别主要聚集在第一轴的左侧和右侧，表明城市和农村教室微生物组成结构存在整体性差异。PERMANOVA分析也证实了这种变化（P=0.001）。有趣的是，同为乡村学校，学校5与学校1-4相比，呈现出了沿第二轴方向的较大的组成变化，表明还有其它环境特征决定室内微生物组的组成。
LEfSe分析发现，城市学校中Betaproteobacteria（uc Neisseria）、Gammaproteobacteria（Acinetobacter、johnsonii、uc Lysobacter）和Bacilli（Staphylococcus epidermidis、Carnobacterium sp.）显著高于农村学校，而Actinobacteria（Brachybacterium sp.、Kocuria palustris、Dietzia sp.）和Cyanobacteria（Microcoleus sp.）主要存在于农村学校。同时，根据美国国家过敏和传染病研究所对潜在病原体的定义，发现城市学校的潜在病原体（Burkholderia pseudomallei）含量显著高于农村学校（P<0.05）。
细菌、古菌、真菌、真核生物和病毒的微生物丰富度与哮鸣、呼吸困难、鼻炎和鼻结膜炎症状没有显著相关性（P>0.05）。同样，这些类群的相对丰度与健康之间也没有发现显著的关联（P>0.05）。通过多阶回归模型检验对微生物丰富度与哮喘和鼻炎症状之间的相关性进行分析，发现了五种细菌和一种原生生物与这些症状有关。Pseudoalteromonas、Neospora caninum和Microbacterium foliorum与哮喘、鼻炎和鼻结膜炎的发生呈正相关；Brachybacterium与鼻炎呈保护性负相关。
- 城市和农村学校的微生物功能差异
本研究从宏基因组拼接数据中获得了1500万个非冗余功能基因。根据KEGG Orthology数据库对功能基因进行注释，并归类为不同的KEGG功能通路，发现超过一半的功能基因被注释为“代谢”（56.4%），其次是“遗传信息处理”（10.7%）、“环境信息处理”（7.7%）、“人类疾病”（6.8%）、“细胞过程”（6.1%）、“生物系统”（5.1%）和“其它未知通路”（7.4%）。
通过NMDS和PERMANOVA分析表明，城市和农村学校之间，微生物群落的功能组成也存在显著差异（P=0.005）。进一步通过LEfSe分析进行验证，显示在城市学校中，检测到与人类疾病和免疫系统相关的通路丰度更高；而在农村学校检测到与代谢相关的通路丰度更高（LDA>3）。进一步针对碳水化合物代谢的LEfSe分析发现，农村学校的丁酸盐和丙酸代谢途径均显著高于城市学校（P <0.005），且这些短链脂肪酸在以往的报道中显示其能够预防人体过敏性炎症疾病。
此外，通过估算细菌的生长速率，可以得知城乡学校的细菌生长速率均较为缓慢，揭示出两者空气微生物之间的差异并非由于菌群的生长速率造成，而是可能与绿化、交通等周围的环境相关。
研究结论
本研究通过宏基因组测序结合流行性调查的手段，对山西省城乡学校室内微生物暴露与呼吸道疾病的潜在相关性进行了深入探讨，揭示了城乡环境微生物暴露差异与潜在的人群健康效应存在显著的相关性，并得出以下结论：
山西省城市地区哮喘和鼻炎症状的患病率明显高于农村地区；
城乡学校间环境微生物群落组成存在显著差异，潜在的具有保护性或致病风险的微生物的丰度分布，与哮喘和鼻炎症状相关；
与丁酸盐、丙酸盐代谢相关的基因和代谢通路在乡村学校的教室微生物组中更为丰富，可能为鼻炎、哮喘等炎症提供了保护作用。
本研究揭示了高分辨率的微生物分类和功能图谱及其对人类健康的潜在影响，拓展了我们对室内微生物组和呼吸系统健康的认识，并从功能的角度为室内微生物暴露及其健康效应提供了新的见解。
本研究的高通量测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。
文章索引：
Fu X, Ou Z, Zhang M, et al. Indoor bacterial, fungal and viral species and functional genes in urban and rural schools in Shanxi Province, China-association with asthma, rhinitis and rhinoconjunctivitis in high school students. Microbiome. 2021;9(1):138. Published 2021 Jun 12. doi:10.1186/s40168-021-01091-0
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