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在国际农业动物领域（猪、牛、羊、鸡等）第一个鉴别到宿主基因组影响肠道菌群组成的因果突变并系统阐明其作用机理
2022年4月27日北京时间23:00，国际著名学术期刊《Nature》（《自然》）在线长文发表江西农业大学猪遗传改良与养殖技术国家重点实验室黄路生院士团队的重大研究成果：发现ABO血型基因通过调节N-乙酰半乳糖胺浓度显著影响猪肠道中丹毒丝菌科相关细菌的丰度，并系统地阐明了其作用机理。这是目前为止，国际上整个农业动物领域（猪、牛、羊、鸡等）第一个鉴别到宿主基因组影响肠道菌群组成的因果突变并系统阐明了其中的作用机理。中国科学院院士、中国畜牧兽医学会理事长黄路生、江西农业大学首席教授陈从英、江西农业大学引进专家米歇尔∙乔治教授为文章共同通讯作者，江西农业大学杨慧博士、吴金鸳博士为文章共同第一作者。 这是迄今为止江西省和中国畜牧学领域首篇《Nature》（《自然》）发表的研究长文，同时也是国际猪基因组与遗传育种领域近20年来第三篇在《Nature》（《自然》）发表的研究论文（上一篇是2012年）。对我国种业自主创新工作有重要意义。 ▲图片说明：在两个世代的家猪嵌合家系中研究同个体不同日龄、不同肠道部位肠道菌群组成与丰度的遗传力，解析宿主遗传变异对肠道菌群组成的因果机制及其生物学机理 不同个体的肠道菌群组成各不相同并且与健康密切相关，宿主的遗传变异是否以及如何影响其自身的肠道菌群组成是一个国际研究热点及难点。由于受到环境、饮食、健康状况以及宿主遗传变异的多重影响，许多研究（尤其是在人类中的研究）难于被重复，因此在 《Nature》（《自然》）及其子刊发表了不少争论性文章。 针对这一世界难题，项目组以家猪为研究材料，为了增加宿主个体的遗传变异，首先用12年时间构建了一个由全世界八个不同的商业品种及中国地方猪种混合杂交而成的嵌合家系第六及第七世代群体，同时通过严格控制饲料、饲养、健康及环境条件，从以下五个方面系统研究并解答了这一难点问题： 五个方面 发现同一个体不同发育阶段及肠道部位菌群组成的异质性：通过对两个世代（F6和F7）1500个实验个体，每个个体持续测定3个时间点（出生后25、120及240天），并在出生后第240天屠宰测定每个个体三个肠道部位（回肠、盲肠、粪便）的肠道细菌组成，证明肠道菌群的组成、丰度具有生长阶段和肠道部位的广泛特异性及多样性。而目前国际上通常研究中采集的粪便样品仅能代表菌群组成的一部分； 发现肠道菌群组成及丰度的可遗传性：通过对实验猪只的饲料、饲养、健康及环境条件的统一标准管理，在F6和F7两个世代中分别鉴别到1050和955个细菌分类（OTU和taxa）可遗传，最高遗传力可达0.598 （YRC22属），450个可遗传的细菌分类在F6和F7两个世代中被重复验证，并且部分可遗传的细菌分类与人类肠道中的研究结果相一致，如Christensenellaece在人和猪中都具有高的遗传力，由此证明肠道菌群的组成是可以遗传的； 鉴别了影响不同阶段及不同部位肠道菌群组成的宿主基因组变异位点：项目对两个世代1430个嵌合个体进行全基因组重测序，共鉴别到3000多万个宿主基因组变异（即基因组上每100bp就有1个变异）。基于上述高度遗传变异的实验群体，对检测到的8490个细菌分类进行了全基因组关联分析，共检测到1527个显著影响846个细菌分类的丰度或存在与否的宿主基因组变异位点。 发现并验证了影响特定肠道丹毒丝菌科相关细菌丰度差异的因果基因突变：通过对F6及F7两个世代大样本家猪的系统遗传解析，鉴别到家猪ABO血型系统中一个350万年前包含第8外显子的2.3kb缺失变异。这个基因缺失变异直接导致了家猪肠道中丹毒丝菌科相关细菌的丰度差异。对300个F7盲肠组织的全基因组转录本分析表明，该2.3kb的缺失突变导致ABO基因中一个具有可变第8和第9外显子的7.4kb转录本表达量只有正常转录本的1/3，而且这个转录本编码的蛋白质丢失了62%的氨基酸序列（包括7/8的活性位点），导致ABO蛋白的N-乙酰半乳糖胺转移酶失去活性。基于嵌合家系群体的祖代八个家猪品种、亚洲野猪、欧洲野猪、苏门答腊野猪、菲律宾疣猪、印度尼西亚爪哇疣猪和非洲普通疣猪，对这个ABO基因2.3kb缺失进行溯源，发现这个2.3kb的基因缺失突变在所有的祖代八个猪种、亚洲和欧洲/美洲野猪以及印度疣猪中均有存在而且突变的断点序列在所有样本中一致，从而证实猪属中的这个ABO基因2.3kb缺失属于古老突变并存在平衡选择。 系统研究并清晰探明发现宿主基因组因果突变位点影响肠道丹毒丝菌丰度的机制：ABO基因2.3kb的缺失（O型血个体）导致编码的蛋白质无N-乙酰半乳糖胺转移酶活性，因此无法把N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）添加到肠道粘液中高度糖基化的黏蛋白上，导致OO基因型个体肠道中N-乙酰半乳糖胺浓度降低，从而影响依赖N-乙酰半乳糖胺作为碳源的细菌的生长。基于上述假设，系统开展了以下工作： 项目历时十几年，通过对两个世代1500多个个体，每个个体三个生长阶段和三个肠道部位共5100多个样品的系统研究，有力证明宿主遗传会影响肠道菌群的组成和丰度。发现并验证ABO血型基因的一个350万年前的2.3kb缺失导致家猪肠道中N-乙酰半乳糖胺浓度的降低，从而使其丹毒丝菌科相关细菌丰度的下降。这是国际上所有农业动物（猪、牛、羊、鸡等）中第一个被发现的宿主基因组影响肠道菌群的因果基因突变。该发现对于借助同样的手段研发宿主遗传通过影响肠道菌群调节饲料转化效率和促进生长新技术，培育节粮型和快长型新品种具有重要参考意义。同时，项目研究发现的丹毒丝菌科在人类中报道与肥胖、胆固醇代谢以及结直肠癌等相关。猪的消化系统、基因组成和器官大小等与人类相似，特别是相比较于小鼠，其肠道菌群组成与人类更为相似。因此，利用猪作为模式动物，从肠道菌群和宿主基因互作出发研究人类上述疾病发病机理及菌群调控技术也具有重要的参考意义。
