PCR—DGGE法分析嬰兒腸道菌群多樣性

費 鵬 白洪健 程述震 曹飛揚

FEI Peng BAIHong-jian CHENG Shu-zhen CAO Fei-yang

郭 鸰 姜亦超 苑秀娟 江 巖

GUO Ling JIA Yi-chao YUAN Xiu-juan JIANG Yan

（東北農業大學食品學院乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150030）

(Key Laboratory of Dairy Science,Ministry of Education Food Science College,Northeast Agricultural University,Harbin,Heilongjiang 150030,China)

傳統研究腸道菌群的方法存在極大的局限性，純培養只能研究比較容易培養的微生物。據估計，目前腸道中能培養的細菌僅占腸道內總細菌數的10%～50%[1]，所以依賴傳統培養技術不能完整準確地反映微生物群落的組成情況與變化情況。16S rDNA普遍存在于在細菌中，其交錯排列的可變區和保守區可應用于研究細菌的種系發生學關系，在細菌鑒別和分類方面，基于16S rDNA的序列分析方法被稱為“金標準”[2,3]。基于16S rDNA的變性梯度凝膠電泳(denatured gra dient gel electrophoresis，DGGE)指紋圖譜技術，可以檢測到DNA片段中的單堿基變化，被廣泛應用于細菌群落結構的研究中，同時在揭示自然界微生物群落種群差異和遺傳多樣性方面也具有獨特的優越性[4]。

食源性疾病是指通過攝食而進入人體的有毒有害物質（包括生物性病原體）等致病因子所造成的疾病，擾亂腸道粘膜細胞的吸收，進而影響了腸道微生態平衡[5]。由于嬰兒免疫力低，更容易患食源性腹瀉。怎么通過改善嬰兒的飲食從而降低該類疾病的發生成為難題。近年來有文獻[6]報道某些益生菌可以有效的縮短一些食源性疾病的病程，減輕病癥，但這些報道只是針對某種益生菌的作用進行研究，并沒有針對嬰兒腸道菌群的特點進行系統的分析，具有一定的局限性。本試驗通過PCR-DGGE技術對嬰兒腸道菌群進行多樣性分析，將健康嬰兒和食源性疾病嬰兒的腸道菌群進行對比，有助于確定對食源性疾病有預防和治療作用的益生菌的種類，為嬰兒配方乳粉中益生菌種類的選擇提供了有效的研究方法。

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

QIAamp DNA StoolMini Kit：德國 Qiagen公司；

引物合成：北京天根生化科技有限公司；

Taq DNA 聚合酶、dNTP、10×PCR buffer：大連 TaKaRa公司；

瓊脂糖：美國Sigma公司；

溴化乙錠(EB)：美國Sigma公司；

無水乙醇：分析純，天津市天力化學試劑有限公司；

尿素：分析純，西隴化工股份有限公司；

丙烯酰胺、去離子甲酰胺、四甲基二乙胺：分析純，北京博奧拓達科技有限公司；

亞甲基雙丙烯酰胺：分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

過硫酸銨：天津市博迪化工有限公司；

PCR儀：Gene Amp PCR system 9700，美國 ABI公司；

電泳儀：The DCodeTM Universal Mutation Detection System，美國Bio-Rad公司；

UVP凝膠成像系統：GelDoc-It image system，美國 Bio-Rad公司。

1.2 研究個體情況

(1)健康嬰兒組：15例健康母親順產的足月健康兒，均為0～1歲，無腹瀉或其他胃腸道病史，正常喂養。上述對象采樣前4周內均未服用過微生態制劑(包括酸奶)及抗生素。

(2)食源性腹瀉嬰兒組：15例食源性疾病嬰兒，均為健康母親順產足月兒，均為0～1歲，經哈爾濱市兒童醫院確診為食源性疾病引起腹瀉。

上述對象采樣前4周內均未服用過微生態制劑(包括酸奶)及抗生素。

1.3 糞便樣品采集

對所有個體采集新鮮糞便樣品。新鮮糞便采集后立即裝入厭氧盒中(GENbox anaer，Biomérieux)，置于冰上，立即送入實驗室-80℃保藏。

1.4 糞便樣品總DNA的提取

參照QIAamp DNA Stool Mini Kit試劑盒說明提取樣品總DNA，為了提高糞便樣品中細菌細胞的裂解效率，在加入ASL(糞便裂解液)以后的水浴溫度提高為95℃。

1.5 細菌16S rDNA V3區PCR

細菌通用引物 16S rDNA V3 區：BA338f（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′） 引物 5′端加一個 40 bp“G C”夾(CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGG)和 UN518r(5′-ATTACCGCGGCTGCTCC-3′)[7]，引物由北京天根生化科技有限公司合成。50μL PCR反應體系：5μL總DNA作為模板，1 U Taq DNA聚合酶，0.2 mM dNTP，1μM的上下引物，10mM 10×PCR buffer(含 15 mmol/LMgCl2)，去離子無菌水補充體系至50μL。PCR反應條件：92℃預變性2min，然后進行30個循環，每個循環包括變性 92℃1min，復性55℃ 30 s，延伸72℃ 1min。最后72℃ 延伸6min[8]。PCR產物經1.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測，UVP凝膠成像系統拍照記錄結果。

1.6 細菌16S rDNA V3區變性梯度凝膠電泳（DGGE）

應用The DCodeTM Universal Mutation Detection System(Bio-Rad)電泳系統。DGGE變性梯度凝膠濃度為8%，變性梯度為30%～55%(7mol/L尿素和40%甲酰胺為100%變性)。電泳條件為1×TAE電泳緩沖液，60℃，20 V，電泳10 min后，70 V，18 h[9]。電泳完成后置凝膠于GeneFinder染液中染色30min，UVP凝膠成像系統拍照記錄結果。

1.7 DGGE圖譜的多樣性分析

使用Quantity One（Bio-Rad）軟件對DGGE圖譜進行聚類和相似性分析。

2 結果與分析

2.1 食源性腹瀉嬰兒和健康嬰兒16S rDNA的DGGE圖譜

將健康嬰兒和食源性疾病嬰兒的糞便樣本16S rDNA PCR產物進行變性梯度凝膠電泳，可以得到其樣本的DGGE圖譜，結果見圖1。

圖1 不同樣本的腸道菌群多樣性DGGE電泳圖Figure 1 DGGE profiles of intestinalmicroflora diversity from the different samples

2.2 食源性腹瀉嬰兒和健康嬰兒DGGE圖譜的分析

約200 bp的PCR產物在凝膠上得到分離，在DGGE電泳圖上，每一條帶代表一個或者一類細菌。DGGE（圖1）結果表明，使用16S rDNA V3區的引物得到的微生物多樣性很豐富，總共呈現出31個不同位置的條帶，并且不同嬰兒糞便樣本的DGGE帶譜在條帶的數量、位置及條帶的亮度上均存在著不同程度上的差異。其中，食源性腹瀉嬰兒腸道菌群的多樣性比健康嬰兒腸道菌群的多樣性低。此外，可以明顯看出健康嬰兒組和食源性腹瀉嬰兒組的最亮條帶位置也有所不同，說明兩組樣本腸道菌群的優勢菌不一樣。

2.3 食源性腹瀉嬰兒和健康嬰兒的聚類和相似性分析

使用 Quantity One（Bio-Rad）軟件，采用 UPMAGA 的方法比較各個泳道之間的相似性樹狀樹（圖2），可以得出1～5、11～15、21～25 號樣本可以聚為一類，6～10、16～20、26～30 號樣本可以聚為一類。通過相似性分析（圖3）可以得出食源性疾病樣品之間的相似性較高，而健康嬰兒樣品之間有一定的相似性。但食源性疾病樣品之間的相似性更高，且兩者腸道菌群有明顯的差異。

食源性腹瀉樣品之間的相似性較高，這是由于食源性腹瀉引起腹瀉，使得個體差異消除；而健康嬰兒樣品之間有一定的相似性，但不高，是由于健康嬰兒受遺傳、環境、喂養方式等的影響，產生的個體差異。而兩類之間的差異也是食源性疾病引起腹瀉所致。

3 討論

自20世紀80年代初最先被提出DGGE技術，它是一種用于檢測DNA突變的電泳技術[10]，可反映微生物群落中數量上大于1%的優勢種群。因此，DGGE相比于傳統微生物分析方法有著無可比擬的優勢，在分子微生物學領域得到廣泛的應用[11]。

圖2 不同嬰兒樣本腸道菌群UPMAGA聚類分析圖譜Figure 2 Cluster analysis of intestinalmicroflora from different infant samples by UPGMA

圖3 不同嬰兒樣本腸道菌群相似性分析Figure 3 Similarity analysis of intestinalmicroflora from different infant samples

PCR—DGGE技術已經廣泛應用于人體腸道多樣性的研究當中，人們利用這種方法研究了不同人群腸道菌群的多樣性，如糖尿病病人、肥胖人群，不同喂養方式和不同分娩方式嬰兒等等。然而對食源性腹瀉嬰兒腸道菌群多樣性的研究尚少。本試驗利用PCR—DGGE等分子生物學技術對食源性腹瀉嬰兒和健康嬰兒的糞便樣本進行多樣性研究，發現兩類樣本之間存在著明顯的差異。食源性腹瀉嬰兒的腸道菌群多樣性較健康嬰兒的低，且兩類的優勢菌群也存在著不同。此外，食源性腹瀉嬰兒之間的腸道菌群相似性較高，兩類嬰兒之間的腸道菌群存在著明顯的差異。可見利用PCR—DGGE技術可以很好的分析嬰兒腸道菌群的多樣性，這也為確定嬰兒配方乳粉中益生菌種類應用提供了研究方法，然而，要確定益生菌的種類，還要對兩類嬰兒腸道菌群的具體差異進行進一步的研究和探索。

1 Dave M,Higgins PD,Middha S,et al.The human gutmicrobiome:current knowledge,challenges,and future directions[J].Translational Research.,2012,160(4):246～257.

2 Relman D A,Loutit JS,Schmidt TM,et al.The agent of bacillary angiomatosis.An approach to the identification of uncultured pathogens[J].N.Engl J.Med.,1990,323(23):1 573～1 580.

3 Relman D A,Schmidt TM,MacDermott R P,et al.Identification of the uncultured bacillus of Whipple's disease[J].N.Engl J.Med.,1992,327(5):293～301.

4 Muyzer G,deWaal E C,Uitterlinden A G.Profiling of complexmicrobial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction～amplified genes coding for 16S rRNA[J].Appl Environ Microbiol,1993,59(3):695～700.

5 焦富勇.小兒輪狀病毒性腹瀉研究進展[J].國外醫學婦幼保健分冊,2002,13(1):42～45.

6 Tran H,Moreno R,Hinkle E E,et al.Effects of lactose and yeastdried milk on growth performance,fecal microbiota,and immune parameters of nursery pigs[J].J.Anim Sci.,2012,90(9):3 049～3 059.

7 Muyzer G,DeWaal EC,Uitterlinden AG.Profiling of complexmicrobial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for 16S rRNA[J].Appl Environ Microbiol.，1993,59(3):695～700.

8 Maria Befring Hovda,Bjφrn Tore Lunestad,Ramon Fontanillas,et al.Molecular characterisation of the intestinalmicrobiota of farmed Atlantic salmon(Salmo salar L.)[J].Aquaculture,2007,273(1～4):581～588.

9 Maria Befring Hovda,Morten Sivertsvik,Bjφrn Tore Lunestad,et al.Characterisation of the dominant bacterial population inmodified atmosphere packaged farmed halibut (Hippoglossus hippoglossus)based on 16S rDNA-DGGE[J].Food Microbiology,2007,24(1～4):362～371.

10 Fischer SG,Lerman L S.DNA fragments differing by single basepair substitutions are separated in denaturing gradient gels:correspondence with melting theory[J].Proc Natl Acad Sci.USA,1983,80(6):1 579～1 583.

11 Ferguson A S,Huang W E,Lawson K A,et al.Microbial analysis of soil and groundwater from a gasworks site and comparison with a sequenced biological reactive barrier remediation process[J].J.Appl Microbiol.，2007,102(5):1 227～1 238.