Gut：腸道微生物16S擴增子測序+宿主SNP分型的聯(lián)合應(yīng)用

發(fā)稿時間：2018-08-16來源：天昊生物

英文題目：The effect of heritability and host genetics on the gut microbiota and metabolic syndrome

中文題目：遺傳力和宿主遺傳對腸道菌群和代謝綜合征的影響

期刊名：Gut     

影響因子：17.016

研究背景: 

由于人類生活方式的變化，代謝綜合征（MetS），它會導(dǎo)致2型糖尿病和心血管疾病的高風(fēng)險，已越來越普遍。據(jù)估計大約有20-30%的成年人患有MetS。MetS的特征包括腹型肥胖、血脂異常、高血壓和高血糖。這些癥狀與胰島素抵抗和慢性低度炎癥密切相關(guān)，從而導(dǎo)致2型糖尿病與心血管疾病發(fā)展。目前有幾個因素參與到MetS發(fā)生發(fā)展，包括宿主遺傳因素（例如脂肪酶蛋白，膽固醇酯轉(zhuǎn)移蛋白和載脂蛋白A（ApoA）相關(guān)基因內(nèi)或附近的SNPs）、飲食習(xí)慣（如高脂高熱量飲食）和久坐的生活方式（如不運動），但是目前MetS的發(fā)病機制尚未完全闡明。

近年來，許多研究表明腸道菌群參與宿主能量代謝，調(diào)節(jié)養(yǎng)分吸收、胃腸激素產(chǎn)生，脂肪儲存或腸道通透性，此外腸道菌群失調(diào)與肥胖的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。這些數(shù)據(jù)意味著腸道菌群在MetS發(fā)生發(fā)展中起重要作用，但很少有研究個人腸道菌群與MetS的關(guān)系。

腸道菌群組成受多個因素影響，包括宿主年齡、性別和飲食。此外，越來越多小鼠模型的證據(jù)提示宿主遺傳也有助于腸道菌群的形成。有研究發(fā)現(xiàn)有些腸道微生物類群，例如Christensenellaceae在人類中是可以遺傳的，這有力地暗示了人類腸道菌群可受宿主遺傳的影響。一些研究已經(jīng)表明，幾個宿主基因（如核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域2和巖藻糖基轉(zhuǎn)移酶2）特定位點的變化可能有助于腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變，從而影響克羅恩病。因此，可以假設(shè)，代謝綜合征（MetS）、腸道微生物組成和宿主基因型相互之間存在聯(lián)系。然而據(jù)我們所知，迄今沒有研究哪些腸道微生物與MetS相關(guān)，以及這些微生物與宿主特定基因SNPs是否相關(guān)。

APOA5基因編碼載脂蛋白A-V，該基因位于11號染色體上的APOA1/C3/A4基因簇近端，參與了甘油三酯代謝的調(diào)節(jié)。與野生型相比ApoA5轉(zhuǎn)基因小鼠明顯降低血漿甘油三酯水平，而缺乏APOA5基因小鼠的甘油三酯水平四倍高于對照組。在人類中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，APOA5基因中的SNP與血漿甘油三酯水平升高有關(guān)。SNP rs651821 （位于APOA5起始密碼子上游3 bp）與高甘油三酯血癥和MetS風(fēng)險增加顯著關(guān)聯(lián)，因為APOA5也在腸中表達，我們假設(shè)APOA5 SNP rs651821和腸道菌群相關(guān)，并且這種關(guān)系可能與MetS相關(guān)。

研究對象：

解析153對同卵雙胞胎MZ（n＝306）和37對異卵雙胞胎DZ（n＝74）和其父母和兄弟姐妹（n＝275）的腸道菌群組成，其中大約18%（121個人）患有MetS。我們評估了MetS狀態(tài)與腸道菌群的關(guān)聯(lián)，并估計了每個腸道菌的遺傳力。對于Met S相關(guān)細菌和遺傳性細菌，我們進一步研究它們與載脂蛋白A-V基因（APOA5）SNP（RS65 1821）（已知這個SNP與甘油三酯水平和MetS相關(guān)）的關(guān)聯(lián)性。

 

圖1 實驗數(shù)據(jù)分析示意圖

技術(shù)平臺：細菌測序區(qū)段（V4）；Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array V .6.0

研究結(jié)果：

腸道微生物組成與MetS狀態(tài)的關(guān)系

• 符合MetS標(biāo)準(zhǔn)的比例分別為（表1），所有655個受試者（18.47%），MZ雙胞胎（12.75%），DZ雙胞胎（13.51%），家庭成員（26.18%）。受試者的腸道菌群特點通過16S rRNA基因測序檢測（每個樣本平均(47 743±18 711條序列）。

 

表1本研究參與者的特征

 

• 首先分析了MetS狀態(tài)與α-多樣性指數(shù)（Chao1 richness, observed species，Shannon diversity index）之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)MetS組三種α-多樣性指數(shù)均顯著低于健康組。
• 為了測試MetS組和健康組總體菌群結(jié)構(gòu)的差異，我們接下來對β-多樣性距離（unweighted/weighted UniFrac and Bray-Curtis distances）進行相似性分析。結(jié)果表明MetS組和健康組微生物群落結(jié)構(gòu)無明顯區(qū)別。
•  接下來，我們評估特定腸道微生物豐度和MetS狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)(MaAsLin)，過濾后的腸道菌群（排除掉低豐度和未獲得分類菌群）分析顯示，Lactobacillus, Sutterella , Methanobrevibacter在MetS組顯著增加。Parabacteroides，Bifidobacterium, Odoribacter, Akkermansia，Christensenellaceae在健康組顯著增加（圖2）。

 

表1健康組和MetS組腸道菌群的組成

• 對于經(jīng)過MaAsLin分析得到的MetS相關(guān)菌群，我們進一步使用Spearman檢驗檢測了這些腸道微生物與MetS臨床指標(biāo)（包括腰圍，甘油三酯，FBS，血壓和高密度脂蛋白膽固醇）的相關(guān)性。我們觀察到，MetS組積累的菌群（例如Lactobacillus）與腰圍、甘油三酯、血壓或FBS呈正相關(guān)，與高密度脂蛋白膽固醇呈負相關(guān)。

MetS相關(guān)腸道菌群遺傳力

• 眾所周知，MetS受到宿主遺傳的顯著影響，所以我們結(jié)合性別年齡等特征評估了MetS的遺傳力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)MetS表現(xiàn)出較高的遺傳力（70.3%）。此外，所有的MetS臨床指標(biāo)具有顯著的遺傳力，從舒張壓（DBP）23.9%到腰圍73.5%（圖3A）。
• 為了評估宿主遺傳對腸道菌群的影響，我們比較了MZ雙胞胎，DZ雙胞胎，家庭成員和無關(guān)個體之間的菌群結(jié)構(gòu)，結(jié)果盡管發(fā)現(xiàn)MZ雙胞胎個體間的菌群結(jié)構(gòu)比家庭成員和無關(guān)個體更相似，但是MZ雙胞胎個體間的菌群結(jié)構(gòu)不比DZ雙胞胎個體間更相似。
• 因為MetS是高度遺傳的（圖3A），且腸道微生物與MetS狀態(tài)有關(guān)（圖2），所以在調(diào)整MetS狀態(tài)、年齡和性別后進行各個腸道微生物的遺傳力估計（H2r），用來評估遺傳對各個腸道微生物的影響。在過濾后的85 個菌中，有50個菌（58.8%）是顯著遺傳的。而通過MaAsLin分析得到的與MetS相關(guān)的27個菌中就有17 (63.0%)是可遺傳的（圖3B）：MetS組中富集的菌中，Methanobrevibacter 和Lactobacillus遺傳性顯著；健康組中富集的菌中，Actinobacteria phylum, Bifidobacterium, Christensenellaceae和Odoribacter也具有顯著的遺傳力。這些結(jié)果表明，宿主遺傳因素和MetS相關(guān)的特定腸道微生物豐度顯著相關(guān)。

 

圖3 代謝綜合征（MetS）表型和腸道菌群的遺傳力。

APOA5 SNP（rs651821）與MetS相關(guān)腸道微生物的相關(guān)性

• 為了探討一個特定的宿主基因與特定腸道微生物豐度是否相關(guān)，我們對APOA5 SNP（rs651821）基因型數(shù)據(jù)（已知這個SNP與甘油三酯水平和MetS相關(guān)）在本研究人群（275個健康人和76個MetS病人）進行了有針對性的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)攜帶等位基因C 的個體MetS發(fā)病率明顯更高（圖4A）。此外還發(fā)現(xiàn)，攜帶等位基因C的個體其甘油三酯triglyceride，舒張壓（BBP）、收縮壓（SBP）、FBS和腰圍waist circumference顯著增加，而高密度脂蛋白膽固醇則相反（圖4B）。這些結(jié)果證實APOA5 SNP（rs651821）次等位基因與高甘油三酯水平以及MetS高風(fēng)險密切相關(guān)。

 

圖4  APOA5 SNP（rs651821）與代謝綜合征（MetS）相關(guān)

 

• 接下來，我們研究了APOA5 SNP（rs651821）和17個宿主遺傳并且與MetS相關(guān)的腸道微生物（如圖3B所示）的相關(guān)性。調(diào)整年齡和性別后，發(fā)現(xiàn)SNP rs651821和5個腸道微生物具有相關(guān)性：攜帶等位基因C的個體其放線菌門Actinobacteria, 放線菌綱Actinobacteria, 雙歧桿菌目Bifidobacteriales, 雙歧菌科Bifidobacteriaceae和雙歧桿菌屬Bifidobacterium豐度降低。值得注意的是，雖然這些物種與MetS狀態(tài)顯著相關(guān)（圖2），即使在調(diào)整MetS狀態(tài)、年齡和性別后，這些物種的豐度仍然與SNP rs651821相關(guān)（圖5）?？偟膩碚f，這些數(shù)據(jù)表明，APOA5 SNP（rs651821）可能在決定有益菌雙歧桿菌豐度方面是一個重要宿主遺傳因素。

 

圖5  APOA5 SNP（rs651821）與特定的腸道菌群相關(guān)

研究結(jié)論：

1. 相對于健康組，MetS病人有較低的腸道菌群多樣性。

2. 多個細菌類群的豐度與MetS狀態(tài)有關(guān)；Sutterella、MeaBoeBeaButter和Lactobacillus在MetS組中富集，而Akkermansia, Odoribacter和雙歧桿菌在健康組中富集。

3. 與MetS狀態(tài)相關(guān)的細菌中，雙歧桿菌屬歸屬的放線菌門具有最高的遺傳力（45.7%）。

4. 即使調(diào)整MetS狀態(tài)后，放線菌門和雙歧桿菌屬豐度下降顯著與APOA5 SNP（rs651821）次等位基因C相關(guān)。