메타지놈 시퀀스 분석을 이용한 건강한 성인들의 마이크로바이옴과 항생제 내성체 연구

Abstract

건강한 성인의 장내 마이크로바이옴은 식단, 국가, 인종, 노화, 거주 환경과 생활 방식 등의 영향을 받는다고 알려져 있다. 특히 산업화가 된 서구 인구와 덜 산업화된 비 서구 인구 간의 마이크로바이옴은 뚜렷한 패턴의 차이를 보였고, 이는 같은 나라에서도 산업화된 도시 지역과 덜 산업화된 시골 지역의 차이로도 나타났다. 또한, 항생제 내성 유전자도 사람의 장 내에 주로 서식하여 장내 미생물 조성의 불균형을 유발한다고 알려졌다. 이에 따라 다양한 국적과 인종을 가진 건강한 성인의 whole shotgun sequencing metagenome 샘플을 수집하여 장내 마이크로바이옴 조성과 항생제 내성 유전자의 현황을 분석하였다. 구축된 데이터 세트는 국적, 코호트, 엔테로타입과 연령대에 의해 마이크로바이옴 조성의 변화가 영향을 받았다는 것을 발견했고 (p ≤0.009), 본 연구에서는 크게 3가지 관점에서 비교하였다. 해당 관점은 아시아, 아메리카, 유럽과 아프리카를 포함한 11개 국적, 청년 (-30세), 중년 (31-50세), 장년 (51-70세)과 노년 (71세-)을 포함한 연령대, 그리고 3개로 식별된 엔테로타입이다. 3개의 엔테로타입은 각각 Bacteroides (E1), Prevotella (E2)와 Bifido-bacterium (E3)이 지배적인 타입으로 나뉘었다. 각 엔테로타입은 뚜렷한 특성을 보였지만, Prevotella 엔테로타입 (E2)의 패턴이 매우 뚜렷한 것에 비해 Bacteroides 엔테로타입 (E1)과 Bifidobacterium 엔테로타입 (E3)의 패턴은 상대적으로 유사했다. 또한 각 엔테로타입이 우세한 나라들 간의 마이크로바이옴 조성에도 비슷한 패턴을 보였다. 세균 다양성은 Shannon 지수로 계산되어 비교하였는데, E3가 가장 세균 다양성이 높았고, E1과 E2가 상대적으로 비슷했다. 이는 각 나라에서 엔테로타입별 세균 다양성을 확인했을 때에도 같은 결과를 보였다. 노화에 따른 마이크로바이옴 조성도 나라와 엔테로타입에 따라 경향성의 차이를 나타냈다. Tetracycline 저항 유전자, 특히 tetQ, tetW와 tetO는 국적에 상관없이 모든 샘플에서 만연했다. Beta-lactam 저항 유전자 중 CfxA와 macrolide 저항 유전자 중 ErmB와 ErmF 등도 풍부했는데, 이는 나라에 따라 풍부도가 달라져 차이를 보였다. 항생제 내성 유전자의 다양성과 풍부도는 나라에 따라 다른 패턴을 보였고, 항생제 내성 유전자의 다양성과 풍부도 사이의 상관관계가 낮은 것이 나타나 (R2 <0.01) 큰 연관성이 없는 것으로 보였다. 그러나 세균 다양성과 항생제 내성 유전자의 다양성은 서로 양의 상관관계 (R2 = 0.21)를 보여 세균 다양성이 증가할수록 항생제 내성 유전자의 다양성도 증가한다고 판단할 수 있다. |The gut microbiome of healthy humans was known to be affected by diet, country, race, aging, living environment, and lifestyle. The distinct patterns of the microbiome were examined between the industrialized and less industrialized population, such as industrialized Western and less industrialized non-Western or industrialized urban and less industrialized rural. The human gut is a reservoir of antibiotic resistance genes (ARGs) and cause imbalance of microbial composition. Accordingly, to investigate the differential composition of microbiome and ARGs, whole shotgun metagenome samples of healthy individuals with various nationalities and races were collected. The constructed dataset was found that microbial changes were influenced by nationality, enterotype, and age differences (p ≤ 0.009). We then investigated the gut microbiome with 3 types of groups: 11 nationalities (including Asia, America, Europe, and Africa), 4 age groups (youth, middle-aged, prime-aged, and senior), and 3 enterotypes. The three enterotypes were Bacteroides-dominant (E1), Prevotella-dominant (E2), and Bifidobacterium-dominant (E3). Each type of enterotype showed distinct characteristics, but the Prevotella enterotype showed clear differences while the Bacteroides enterotype and Bifidobacterium enterotype were relatively similar. The similar patterns of the microbial composition were shown among enterotype and countries with the predominant type of enterotype in each enterotype. Bacterial diversities were compared with the Shannon index of genus proportion, with E3 having the highest and E1 and E2 were relatively similar. These results were also found when comparing the genus diversity by enterotype in each country. Microbial changes with aging were also different depending on the countries and enterotypes. Tetracycline resistance genes, especially tetQ, tetW, and tetO, were prevalent in all samples regardless of nationality. Among the CfxA (beta-lactam resistance gene), ErmB and ErmF (macrolide resistance genes) were also abundant but showed differences of abundance among countries. The diversities and abundances of ARGs showed different patterns from country to country. The correlation between the diversity and abundance of ARGs was also low (R2 < 0.01), which implied that these did not appear to be significant. However, the correlation between genus diversity and ARG diversity was relatively high and positive (R2 = 0.21), which could be assumed that as bacterial diversity increased, the diversity of ARGs increased.