Gut：肠道微生物16S扩增子测序+宿主SNP分型的联合应用

发稿时间：2018-08-16来源：天昊生物

英文题目：The effect of heritability and host genetics on the gut microbiota and metabolic syndrome

中文题目：遗传力和宿主遗传对肠道菌群和代谢综合征的影响

期刊名：Gut     

影响因子：17.016

研究背景: 

由于人类生活方式的变化，代谢综合征（MetS），它会导致2型糖尿病和心血管疾病的高风险，已越来越普遍。据估计大约有20-30%的成年人患有MetS。MetS的特征包括腹型肥胖、血脂异常、高血压和高血糖。这些症状与胰岛素抵抗和慢性低度炎症密切相关，从而导致2型糖尿病与心血管疾病发展。目前有几个因素参与到MetS发生发展，包括宿主遗传因素（例如脂肪酶蛋白，胆固醇酯转移蛋白和载脂蛋白A（ApoA）相关基因内或附近的SNPs）、饮食习惯（如高脂高热量饮食）和久坐的生活方式（如不运动），但是目前MetS的发病机制尚未完全阐明。

近年来，许多研究表明肠道菌群参与宿主能量代谢，调节养分吸收、胃肠激素产生，脂肪储存或肠道通透性，此外肠道菌群失调与肥胖的发生发展密切相关。这些数据意味着肠道菌群在MetS发生发展中起重要作用，但很少有研究个人肠道菌群与MetS的关系。

肠道菌群组成受多个因素影响，包括宿主年龄、性别和饮食。此外，越来越多小鼠模型的证据提示宿主遗传也有助于肠道菌群的形成。有研究发现有些肠道微生物类群，例如Christensenellaceae在人类中是可以遗传的，这有力地暗示了人类肠道菌群可受宿主遗传的影响。一些研究已经表明，几个宿主基因（如核苷酸结合寡聚化结构域2和岩藻糖基转移酶2）特定位点的变化可能有助于肠道菌群结构的改变，从而影响克罗恩病。因此，可以假设，代谢综合征（MetS）、肠道微生物组成和宿主基因型相互之间存在联系。然而据我们所知，迄今没有研究哪些肠道微生物与MetS相关，以及这些微生物与宿主特定基因SNPs是否相关。

APOA5基因编码载脂蛋白A-V，该基因位于11号染色体上的APOA1/C3/A4基因簇近端，参与了甘油三酯代谢的调节。与野生型相比ApoA5转基因小鼠明显降低血浆甘油三酯水平，而缺乏APOA5基因小鼠的甘油三酯水平四倍高于对照组。在人类中已经发现，APOA5基因中的SNP与血浆甘油三酯水平升高有关。SNP rs651821 （位于APOA5起始密码子上游3 bp）与高甘油三酯血症和MetS风险增加显著关联，因为APOA5也在肠中表达，我们假设APOA5 SNP rs651821和肠道菌群相关，并且这种关系可能与MetS相关。

研究对象：

解析153对同卵双胞胎MZ（n＝306）和37对异卵双胞胎DZ（n＝74）和其父母和兄弟姐妹（n＝275）的肠道菌群组成，其中大约18%（121个人）患有MetS。我们评估了MetS状态与肠道菌群的关联，并估计了每个肠道菌的遗传力。对于Met S相关细菌和遗传性细菌，我们进一步研究它们与载脂蛋白A-V基因（APOA5）SNP（RS65 1821）（已知这个SNP与甘油三酯水平和MetS相关）的关联性。

 

图1 实验数据分析示意图

技术平台：细菌测序区段（V4）；Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array V .6.0

研究结果：

肠道微生物组成与MetS状态的关系

• 符合MetS标准的比例分别为（表1），所有655个受试者（18.47%），MZ双胞胎（12.75%），DZ双胞胎（13.51%），家庭成员（26.18%）。受试者的肠道菌群特点通过16S rRNA基因测序检测（每个样本平均(47 743±18 711条序列）。

 

表1本研究参与者的特征

 

• 首先分析了MetS状态与α-多样性指数（Chao1 richness, observed species，Shannon diversity index）之间的关系，发现MetS组三种α-多样性指数均显著低于健康组。
• 为了测试MetS组和健康组总体菌群结构的差异，我们接下来对β-多样性距离（unweighted/weighted UniFrac and Bray-Curtis distances）进行相似性分析。结果表明MetS组和健康组微生物群落结构无明显区别。
•  接下来，我们评估特定肠道微生物丰度和MetS状态之间的关联(MaAsLin)，过滤后的肠道菌群（排除掉低丰度和未获得分类菌群）分析显示，Lactobacillus, Sutterella , Methanobrevibacter在MetS组显著增加。Parabacteroides，Bifidobacterium, Odoribacter, Akkermansia，Christensenellaceae在健康组显著增加（图2）。

 

表1健康组和MetS组肠道菌群的组成

• 对于经过MaAsLin分析得到的MetS相关菌群，我们进一步使用Spearman检验检测了这些肠道微生物与MetS临床指标（包括腰围，甘油三酯，FBS，血压和高密度脂蛋白胆固醇）的相关性。我们观察到，MetS组积累的菌群（例如Lactobacillus）与腰围、甘油三酯、血压或FBS呈正相关，与高密度脂蛋白胆固醇呈负相关。

MetS相关肠道菌群遗传力

• 众所周知，MetS受到宿主遗传的显著影响，所以我们结合性别年龄等特征评估了MetS的遗传力。结果发现MetS表现出较高的遗传力（70.3%）。此外，所有的MetS临床指标具有显著的遗传力，从舒张压（DBP）23.9%到腰围73.5%（图3A）。
• 为了评估宿主遗传对肠道菌群的影响，我们比较了MZ双胞胎，DZ双胞胎，家庭成员和无关个体之间的菌群结构，结果尽管发现MZ双胞胎个体间的菌群结构比家庭成员和无关个体更相似，但是MZ双胞胎个体间的菌群结构不比DZ双胞胎个体间更相似。
• 因为MetS是高度遗传的（图3A），且肠道微生物与MetS状态有关（图2），所以在调整MetS状态、年龄和性别后进行各个肠道微生物的遗传力估计（H2r），用来评估遗传对各个肠道微生物的影响。在过滤后的85 个菌中，有50个菌（58.8%）是显著遗传的。而通过MaAsLin分析得到的与MetS相关的27个菌中就有17 (63.0%)是可遗传的（图3B）：MetS组中富集的菌中，Methanobrevibacter 和Lactobacillus遗传性显著；健康组中富集的菌中，Actinobacteria phylum, Bifidobacterium, Christensenellaceae和Odoribacter也具有显著的遗传力。这些结果表明，宿主遗传因素和MetS相关的特定肠道微生物丰度显著相关。

 

图3 代谢综合征（MetS）表型和肠道菌群的遗传力。

APOA5 SNP（rs651821）与MetS相关肠道微生物的相关性

• 为了探讨一个特定的宿主基因与特定肠道微生物丰度是否相关，我们对APOA5 SNP（rs651821）基因型数据（已知这个SNP与甘油三酯水平和MetS相关）在本研究人群（275个健康人和76个MetS病人）进行了有针对性的分析，结果发现携带等位基因C 的个体MetS发病率明显更高（图4A）。此外还发现，携带等位基因C的个体其甘油三酯triglyceride，舒张压（BBP）、收缩压（SBP）、FBS和腰围waist circumference显著增加，而高密度脂蛋白胆固醇则相反（图4B）。这些结果证实APOA5 SNP（rs651821）次等位基因与高甘油三酯水平以及MetS高风险密切相关。

 

图4  APOA5 SNP（rs651821）与代谢综合征（MetS）相关

 

• 接下来，我们研究了APOA5 SNP（rs651821）和17个宿主遗传并且与MetS相关的肠道微生物（如图3B所示）的相关性。调整年龄和性别后，发现SNP rs651821和5个肠道微生物具有相关性：携带等位基因C的个体其放线菌门Actinobacteria, 放线菌纲Actinobacteria, 双歧杆菌目Bifidobacteriales, 双歧菌科Bifidobacteriaceae和双歧杆菌属Bifidobacterium丰度降低。值得注意的是，虽然这些物种与MetS状态显著相关（图2），即使在调整MetS状态、年龄和性别后，这些物种的丰度仍然与SNP rs651821相关（图5）。总的来说，这些数据表明，APOA5 SNP（rs651821）可能在决定有益菌双歧杆菌丰度方面是一个重要宿主遗传因素。

 

图5  APOA5 SNP（rs651821）与特定的肠道菌群相关

研究结论：

1. 相对于健康组，MetS病人有较低的肠道菌群多样性。

2. 多个细菌类群的丰度与MetS状态有关；Sutterella、MeaBoeBeaButter和Lactobacillus在MetS组中富集，而Akkermansia, Odoribacter和双歧杆菌在健康组中富集。

3. 与MetS状态相关的细菌中，双歧杆菌属归属的放线菌门具有最高的遗传力（45.7%）。

4. 即使调整MetS状态后，放线菌门和双歧杆菌属丰度下降显著与APOA5 SNP（rs651821）次等位基因C相关。