作者:林佑軒/有勁生物科技

 

每天生活在繁忙都市中的人們,有時會反過來嚮往鄉間,慢步調、自然無污染的居住環境總讓人覺得有益健康,連皮膚氣色似乎都會變好。那麼,皮膚狀況會因為生活在鄉間而比較好?事實上真的有研究指出皮膚疾病在都市的發生機率有高於鄉村的傾向1,並推測造成此差異的原因,除了都市的環境汙染,皮膚表面各式各樣的微生物相也脫不了干係2

為了探索這個問題,有韓國研究團隊分別調查了住在中國兩個大都會(北京與廣州)、以及三處偏遠城鎮(昆明、西安、呼和浩特)總共231位女性的臉頰皮膚菌相差異3。為排除受測者可能時常往返不同城市,造成菌相環境變因太複雜的情況,受測者必須居住在單一城市至少5年以上,且所住的城市距離其他取樣城市需相隔400公里以上,如圖一所示。

 

 

圖一、取樣來源

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紅字標示大都會北京與廣州,藍字標示偏遠城鎮昆明、西安、呼和浩特。(圖片來源:Hye- Kim, H.J. et al., Sci Adv. 2018 Mar; 4(3):e1701581)

 

 

該研究根據五個取樣城市受測女性的16S rRNA擴增子(16S rRNA amplicon)序列資料分析結果,發現皮膚上有9成微生物種類相似,且主要都源自以下四個門(phyla)Proteobacteria、Actinobacteria、Firmicutes以及Bacteroidetes(詳見圖二)。

 

 

圖二、不同取樣城市受測者皮膚上細菌門(phyla)的比例

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X軸每個條狀圖即代表一位受測者的取樣資料,Y軸則代表所測得各類細菌門(phyla)的比例。(圖片來源:Kim, H.J. et al., Sci Adv. 2018 Mar; 4(3):e1701581)

 

 

雖然各取樣城市的受測者,其皮膚微生物相在「門」這個分類層級的種類與比例皆相似,但若進一步以主成分分析法(Principal components analysis; PCA) 深入分析微生物相至屬(genus)或種(species)的層級,並將樣品間操作分類單元(Operational taxonomic unit,OTUs,參照有勁部落格”淺談16S metagenomics中的淺談16S metagenomics中的Operational Taxonomic Units”一文) 的主要特徵差異投射在二維的平面座標上,便可發現北京和廣州兩個大都會的受測者,其皮膚菌相所擁有的主要區別特徵(紅、橘圓點)都集中在PCA圖的左上方,明顯異於其他三個偏遠城鎮受測者的菌相特徵(詳見圖三a)。此外,代表偏遠城鎮受測者皮膚上微生物特性的圓點散布範圍較廣,表示偏遠城鎮受測者之間的皮膚菌相差異明顯大於高度開發的都會。圖三b中,偏遠城鎮受測者皮膚上被分類出的OTU數量高於大都會,代表這裡的受測者皮膚菌相比較複雜,有較多不同屬種層級的微生物存在。綜而言之,北京廣州大都會女性彼此皮膚上的菌相相似程度較高,但大都會群組整體的菌相多樣性則比其他三個偏遠城鎮明顯來得低。

 

圖三、以主成分分析法(PCA)分析受測者的操作分類單元(OTUs)

a、PCA分析受測者OTUs之間的差異

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每個圓點代表受測者皮膚樣品上OTUs種類的主要區別特徵,居住在北京和廣州這兩個大都會的受測者,其皮膚上菌相所擁有的區別特徵(由紅、橘點標示OTUs)都集中在PCA圖的左上方,與另外三個偏遠城鎮受測者的菌相特徵(綠、藍與紫圓點標示)明顯不同。(圖片來源:Kim, H.J. et al., Sci Adv. 2018 Mar; 4(3):e1701581)

 

 

b、不同取樣城市受測者的OTUs數量表現

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北京廣州大都會女性皮膚上有特徵區別的微生物總數比其他三個偏遠城鎮都來得少,表示相較之下,整體菌相的多樣性偏低。(圖片來源:Kim, H.J. et al., Sci Adv. 2018 Mar; 4(3):e1701581)

 

 

菌相分布的形成過程,有兩種可能模式,第一種是所謂的中性理論(neutral theory)4,認為在物種生存能力(例如死亡率或散佈率)相似的狀況下,菌相是自然隨機分布的結果;另一種模式是棲位環境利基模式(niche-based process)5菌相分布是棲位環境下的競爭篩選結果。依照Hutchinson的定義,生態棲位(niche)6是各種環境構成因素的總合,特定的生態棲位有利於特定物種在其棲地(Habitat)內的生存;對菌相形成過程來說,就是指菌相分布的形成會受到環境因素與競爭能力所影響。

 

Tucker研究團隊7利用β多樣性分析法(β diversity),模擬出一個符合中性理論的菌相,再將其與待觀察菌相算出之間的虛無偏差(null deviation);若null deviation接近0就代表待觀察菌相的分布狀況偏向自然隨機的結果;數值越大就越傾向受棲位環境影響的競爭結果。回到前述韓國研究團隊的皮膚菌相研究,他們也把β多樣性分析法拿來應用,看看大都會與偏遠城鎮兩種不同環境下,女性臉頰皮膚除了菌相不同之外,菌相組成分布的形成過程是否也有差異?結果從下圖四可以得知,比起三個偏遠城鎮,北京與廣州大都會的菌相形成過程明顯傾向niche-based process模式,表示這兩個大都市受測者的菌相曾受到許多都會環境因素的篩選牽制,以致受測者彼此之間的菌相皆呈現一定程度的相似性。

 

 

圖四、大都會與偏遠城鎮的女性臉頰皮膚菌相β多樣性分析

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Y軸為null deviation,每個圓點代表一個受測者,受測者菌相的null deviation數值越大,圓點分布就落在越上方,菌相分布的形成過程就傾向niche-based process模式。(圖片來源:Kim, H.J. et al., Sci Adv. 2018 Mar; 4(3):e1701581)

 

 

由這個研究的大都會與偏遠城鎮女性臉頰皮膚菌相比較,可看出大都市受測者彼此間的皮膚菌相相似程度較高,而整體菌相多樣性較差,同時,菌相分布的形成過程也偏向受環境因素牽制的niche-based process競爭篩選模式。曾有研究指出皮膚菌相多樣性的降低或菌相平衡的崩解會影響皮膚的健康進而造成皮膚疾病8,9,因此有科學家推斷大都市較高的皮膚病發生率與菌相的低多樣性有關;於此,未來可進一步研究大都市各環境因子對菌相組成的影響,若可證實其之間的關聯,或許有機會藉由提升菌相的多樣性,來降低皮膚病的發生率。

 

 

參考文獻

1. Xu, F., et al. Prevalence of Childhood Atopic Dermatitis: An Urban and Rural Community-Based Study in Shanghai, China. PLoS ONE. 2012 May; 7(5):e36174 http://doi.org/10.1371/journal.pone.0036174

2. Rosenthal, M., Goldberg, D., Aiello, A., Larson, E., Foxman, B. Skin microbiota: Microbial community structure and its potential association with health and disease. Infect Genet Evol. 2011 Jul; 11(5):839-848. http://doi.org/10.1016/j.meegid.2011.03.022

3. Kim, H.J., et al. Fragile skin microbiomes in megacities are assembled by a predominantly niche-based process. Sci Adv. 2018 Mar; 4(3):e1701581. http://doi.org/10.1126/sciadv.1701581

4. Chave, J. Neutral theory and community ecology. Ecol Lett. 2004 Feb; 7(3):241-253.

5. Hutchinson, G.E. (1978) An Introduction to Population Biology. New Haven, CT: Yale Univ Press.

6. Fargione, J., Brown, C.S., & Tilman, D. Community assembly and invasion: An experimental test of neutral versus niche processes. Proc Natl Acad Sci USA. 2003 Jul; 100(15):8916-8920. http://doi.org/10.1073/pnas.1033107100

7. Tucker, C.M., Shoemaker, L.G., Davies, K.F., Nemergut, D.R., Melbourne, B.A. Differentiating between niche and neutral assembly in metacommunities using null models of β-diversity. Oikos. 2016 Jun; 125(6):778-789. https://doi.org/10.1111/oik.02803

8. Kong, H.H., et al. Temporal shifts in the skin microbiome associated with disease flares and treatment in children with atopic dermatitis. Genome Res. 2012 May; 22(5):850-859. https://doi.org/10.1101/gr.131029.111

9. Park, T., et al. Collapse of human scalp microbiome network in dandruff and seborrheic dermatitis. Exp Dermatol. 2017 Sep; 26(9):835-838. https://doi.org/10.1111/exd.13293

 

 

 

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