《Animals》：Shotgun Metagenomics Reveals Gut Microbiome Remodeling with Altered Taxonomic Composition and Functional Potential in Diabetic Dogs
Qi An,
Siyu Chen,
Shizhen Ma,
Rina Bai,
Zijie Lu,
Yang Liu,
Fan Wang,
Qian Wang,
Yu Song and
Zhaofei Xia
+ 4 authors
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为解决犬糖尿病肠道微生物组“如何变、为何变”的核心问题，研究者采用宏基因组学技术，对严格筛选的DM与健康犬粪便样本进行了系统研究。结果显示，DM犬肠道内机会性致病相关类群显著富集，而胆汁酸/SCFA代谢相关有益菌减少，功能分析提示与能量代谢、膜转运、毒力/定植相关的通路异常活跃。此研究首次在较大样本队列中，将犬糖尿病的菌群结构与功能改变进行整合解析，为未来开发针对性的微生态干预策略提供了新靶点。
糖尿病不仅是困扰人类的常见代谢疾病，在人类的忠实伙伴——犬类中也日益成为一个严峻的健康挑战。犬糖尿病（DM）的发病率在全球范围内呈持续上升趋势，给宠物家庭带来了沉重的医疗和经济负担。尽管犬糖尿病在病理特征上与人类1型糖尿病（T1D）有相似之处，其确切的发病机制仍未完全阐明。近年来，肠道菌群在代谢性疾病发展中的关键作用日益受到关注，菌群失衡被认为可通过诱发炎症、破坏肠道屏障、影响宿主代谢等多种途径参与疾病进程。然而，与人类糖尿病研究相比，关于犬糖尿病肠道菌群的认知仍相对匮乏。现有研究多依赖于分辨率有限的16S rRNA基因测序，且样本量较小，难以全面刻画菌群的详细分类组成和功能潜能。为了更系统地探究犬糖尿病与肠道菌群之间的关联，本研究采用鸟枪法宏基因组测序技术，对来自中国北京、天津、河北等地、严格筛选的38只糖尿病犬和37只健康对照犬的粪便样本进行了深入分析。研究者旨在回答：犬糖尿病是否伴随独特的肠道菌群结构与功能重塑？如果是，具体发生了哪些变化？相关研究结果已发表在期刊《Animals》上。
为了开展这项研究，作者运用了以下几个关键技术方法：首先，研究纳入了在饮食、用药史等方面有严格控制的临床相关病例-对照队列，以提高统计效力。其次，对收集的粪便样本进行DNA提取后，采用基于Illumina NovaSeq平台的鸟枪法宏基因组测序，获得高质量测序数据。之后，通过生物信息学流程对原始数据进行去宿主序列、质量控制、de novo组装和基因预测。最后，利用MMseqs2和KEGG数据库对非冗余基因进行物种分类和功能注释，并运用LEfSe、PERMANOVA等方法进行统计学差异分析。
3.1. 入组犬的基本信息
该队列的糖尿病犬中位年龄为10岁，健康犬为8岁，两组年龄差异具有统计学意义。所有犬只均为7岁以上高龄犬，品种以贵宾犬为主。血糖水平在糖尿病犬组显著高于健康对照组。
3.2. 肠道菌群组成的特征
在门水平，两组犬肠道菌群均以厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门为主，结构大体相似。在属和种水平，优势类群存在差异。糖尿病犬的肠道菌群在机会性致病相关类群上显著富集，包括肠杆菌目/肠杆菌科（如大肠杆菌E. coli、肺炎克雷伯菌K. pneumoniae、肠沙门氏菌Salmonella enterica）和粪肠球菌Enterococcus faecalis。相比之下，健康犬显著富集了与胆汁酸和短链脂肪酸代谢相关的推定有益类群，如Turicibacter属和Romboutsia属的物种。
3.3. 肠道菌群多样性的比较
两组犬的α-多样性（物种丰富度、多样性、均匀度）无显著差异，表明其菌群内部复杂度与丰度分布大体可比。然而，β-多样性分析显示，在调整年龄、性别和绝育状态后，糖尿病犬与健康犬的肠道菌群群落结构在属和种水平上均存在显著分离，尽管效应量较小。这说明疾病相关菌群失调主要表现为特定菌群的丰度变化，而非整体多样性的全局丧失。
3.4. 糖尿病犬与健康犬之间差异丰富的肠道菌群分类单元
LEfSe分析进一步确认了上述差异，糖尿病犬富集的分类单元主要集中在两个谱系：γ-变形菌纲（如沙门氏菌属、埃希氏菌属、克雷伯菌属及其相关物种）以及葡萄球菌科和肠球菌科（以肠球菌属和粪肠球菌为代表）。而健康犬富集的类群则与丹毒丝菌纲相关，特别是Turicibacter属，以及与短链脂肪酸产生相关的物种，如Romboutsia ilealis和Romboutsia timonensis。
3.5. 糖尿病犬与健康犬之间肠道菌群的功能差异
功能分析表明，在KEGG L1水平，糖尿病犬菌群在“代谢”、“人类疾病”、“环境信息处理”和“生物体系统”相关通路显著富集。在L2水平，碳水化合物代谢、能量代谢、膜转运等功能在糖尿病犬中丰度更高。更精细的分析（L3和KO水平）共识别出17个L3通路和320个KO存在显著差异。富集分析显示，在糖尿病犬中上调的KO显著富集于多个代谢、信息处理及细胞过程相关的通路，如戊糖磷酸途径、丙酮酸代谢、TCA循环、细菌分泌系统、脂多糖生物合成、趋化性/鞭毛组装、生物膜形成等。
3.6. 基于差异KO的KEGG通路富集分析
通路富集分析清晰地勾勒出糖尿病犬肠道菌群功能潜能改变的图景。在“代谢”类别中，与中心碳代谢、碳水化合物利用相关的通路显著富集。此外，与细菌毒力、定植及环境适应相关的通路，如细菌分泌系统、脂多糖生物合成、ABC转运蛋白、双组分系统、鞭毛组装、生物膜形成等，也均显著富集。这与糖尿病犬肠道中机会性致病相关类群的富集现象高度吻合，共同指向菌群群落致病潜能的增强和稳定定植能力的提高。
综上所述，本研究通过宏基因组学系统揭示了犬糖尿病肠道菌群的重塑模式。糖尿病犬的肠道菌群呈现出明确的菌种组成改变，其标志是机会性致病相关类群的扩张以及有益代谢类群的减少。同时，菌群的功能潜能也发生了显著变化，与碳水化合物代谢、膜转运、毒力及定植相关的功能通路全面上调。这些协同变化的出现，可能与糖尿病相关的慢性低度炎症、胰岛素抵抗和代谢紊乱的形成与发展密切相关。研究结论指出，犬糖尿病的未来综合管理不应仅限于传统血糖调控，还应考虑对肠道菌群的评估与干预。通过饮食调整、益生元或益生菌等手段，靶向恢复有益菌功能，抑制机会性致病菌的毒力表达，有望成为延缓犬糖尿病进程的新型辅助策略。
