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宏蛋白质组学揭示炎性肠病中微生物和肠道细胞外囊泡蛋白的关系

作者:Alain Stintzi & Daniel Figeys来源:Nature


什么是炎症性肠病(IBD)?


炎症性肠病(IBD)又称炎性肠病,是一种累及回肠、直肠、结肠的特发性肠道炎症性疾病。


炎症性肠病(IBD)的症状、临床表现


炎症性肠病(IBD)是一种以肠黏膜的炎症为特征的疾病。

炎症性肠病临床表现为腹泻、腹痛,甚至可有血便。本病包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)。溃疡性结肠炎是结肠黏膜层和黏膜下层连续性炎症,疾病通常先累及直肠,逐渐向全结肠蔓延,克罗恩病可累及全消化道,为非连续性全层炎症,最常累及部位为末端回肠、结肠和肛周。

虽然炎性肠病IBD发生的确切机制尚不清楚,但其发病机制与多种因素有关,包括遗传易感性、免疫活性、环境因素(如饮食和生活方式)和肠道微生物群。

越来越多的证据显示,肠道微生物群的改变与炎性肠病IBD的发病机制有关,但介导宿主-微生物相互作用的因素仍不清楚。

儿童期炎性肠病IBD不同于成人IBD,在疾病进展、解剖位置和治疗结局方面有差异。

全球的儿童IBD发病率正在增加。儿童期IBD常导致生长衰竭,并有严重的长期健康后果,医疗保健费用高。

在这项研究中,我们收集了来自儿童IBD起始队列的粘膜腔面样品,并用宏蛋白质组学对人类和微生物的蛋白质进行了表征。

我们招募了71名初治的儿科患者,包括25个CD,22个UC和24个非IBD对照组,没有表现出可见的肠道炎症。

宏蛋白质组学揭示炎性肠病中微生物和肠道细胞外囊泡蛋白的关系

对照组、CD组和UC组的年龄无显著性差异,各组间的性别差异无统计学意义。

大多数(81.2%)的UC组参与者有广泛的疾病,被定义为E3或E4的巴黎分类。此外,大多数患者(80%)表现为结肠或回肠结肠疾病。

我们使用宏蛋白质组学,对结肠镜检查时,从降结肠(DEC)、升结肠(ASC)或末端回肠(TI)收集的176个粘膜腔面抽吸样品,有或无炎症,来表征肠道微生物群的功能。

宏蛋白质组学揭示炎性肠病中微生物和肠道细胞外囊泡蛋白的关系

在评估肠粘膜腔面样品的宏蛋白质组中,我们鉴定了大量的人类蛋白质。这些鉴定的人类蛋白质的很大比例(67%)对应于在EV蛋白质数据库中发现的蛋白质。

除了与粘膜腔面微生物相关的人类蛋白外,我们还发现IBD患者的微生物群有明显的功能改变。

特别是,与DNA损伤修复和微生物防御反应相关的微生物功能是IBD中最显著增加的功能之一。

我们确定了两个CRISPR CAS系统相关的功能,在CD和UC中显著增加。

研究表明,与氧化应激反应相关的微生物蛋白在IBD病例中比对照组升高。特别地,我们证明IBD病例中与氧化抗菌活性相关的人类蛋白的表达增加,并且与微生物功能的改变相关。

宏蛋白质组学揭示炎性肠病中微生物和肠道细胞外囊泡蛋白的关系

此外,我们揭示了许多这些人类蛋白质存在,并显示游离的细菌胞外膜泡(EV)的丰度变化。因此,我们的研究表明肠道EV蛋白质组的改变与IBD中的异常宿主-微生物相互作用有关。

我们证明宿主防御蛋白存在于肠道EV中,包括氧化抗菌底物,这将有助于肠道中的过度氧化应激,从而导致宿主微生物的异常相互作用。

我们发现IBD患者的微生物群中与转座酶和原噬菌体相关的蛋白的表达水平与对照组相比有所增加。


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参考文献

Metaproteomics reveals associations between microbiome and intestinal extracellular vesicle proteins in pediatric inflammatory bowel disease


Xu Zhang, Shelley A. Deeke, Zhibin Ning, Amanda E. Starr, James Butcher, Jennifer Li, Janice Mayne, Kai Cheng, Bo Liao, Leyuan Li, Ruth Singleton, David Mack, Alain Stintzi & Daniel Figeys



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