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你的体重和不开心或和它们有关?| 历时四年的肠道微生物新突破

2021-04-21
中科新生命
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近十年来最火的生命科学研究领域是什么?肠道微生物必然会占有一席之地。人体是由自身细胞和共生菌群构成的超级生物体,不同的因素如不同的饮食习惯可能导致不同的肠道菌群特征从而产生代谢的变化最后引起人体健康状况的变化(下图)。越来越多的研究发现这些跟我们共生的小生命,对人体有着不可忽视的作用。从肥胖到代谢疾病,从心情到精神疾病等,相关的研究成果频频登上各大顶级期刊,但是目前仍缺乏系统性的关于肠道菌群在个体上的时间跨度的纵向动态研究。

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Qiang Lyu, mSystems, 2018

荷兰格罗宁根大学医学中心的傅静远(Jingyuan Fu)教授团队于2021 年 4 月 10 日在 Cell 发表了The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome 的研究性文章,对此进行了系统性的深入研究。

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摘要

对4年间的338名个体进行了时间跨度的纵向分析表征了人类肠道微生物群的时间稳定性和多样性,并将肠道菌群与宿主表型联系起来,表明血浆代谢物在介导微生物群对宿主生理调节中的作用;探索了宿主个体4年间肠道微生物组成的稳定性,发现部分肠道微生物的遗传构成具有个体特异性,并利用这一特征针对性地开发了高精度肠道微生物指纹算法,通过测定粪便样本中肠道微生物的构成便可识别样本属于哪位受试者,精确程度达85-95%。

研究设计

• 对338名志愿者的肠道微生物群进行了Life-lines-DEEP cohort长期随访

• 比较了相隔4年采集的样本

• 描述了肠道微生物组成和遗传组成的长期时间稳定性

• 描述了肠道微生物代谢物和宿主表型的相关性

旨在回答两类问题:

(1) 哪些细菌特征既具有个体特异性又具有时间稳定性?我们可以用这些特征作为“指纹”来区分同一个人的样本吗?

(2) 哪些细菌特征表现出较大的时间变化?它们的变化能与宿主临床表型和生活方式的变化联系起来吗?因此他们分析了这两个时间点的代谢组的血浆水平,并推断代谢物是否介导了肠道微生物对宿主健康的影响。

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图1 研究思路概况


部分研究亮点

1. 利用基因组技术揭示肠道微生物组成可作为宿主“指纹”

为表征肠道微生物组在宿主体内随时间跨度的稳定性,他们对宿主粪便样本中的肠道微生物的组成和多样性进行了分析。结果表明,4年后的肠道菌群的多样性显著增加;另外,微生物种类和组成的个体间差异大于个体内差异,也就是说一个人的肠道微生物组成的相似度:和4年前他们自己的相比>和其他人的相比。

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图2 宿主个体肠道微生物组随时间变化的稳定性


提示我们能否利用微生物遗传和组成特征来区分宿主个体呢?他们通过一系列研究发现最终使用 71 个特征组合使分类的准确率达到最优,AUC 可 95%,特异性和敏感性分别为 99% 和 88%。然后使用独立的人类微生物组计划的数据集(Human Microbiome Project ,HMP)也进一步证实了这种粪便中肠道微生物指纹方法的可靠性。LLD:population-based Lifelines-DEEP cohort.

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图3 肠道微生物组成可作为宿主“指纹“


2. 将肠道微生物组成和宿主表型相关联

为了研究肠道微生物群在宿主健康中的作用,他们探索了微生物组成和基因组变化与宿主表型变化之间的联系。使用纵向数据进行了两步分析,以揭示微生物与宿主表型的关联。首先,使用混合模型,包括年龄、性别和采样时间作为协变量,对微生物特征和两个时间点之间的51个宿主表型进行了联合关联分析。接下来对时间差异进行了回归分析,即微生物变化和宿主表型随时间变化之间的关联,结果表明,体重指数、血压、糖化血红蛋白和抑郁是相关性最大的表型因素(图3A)。此外还识别出了细菌丰度(图3B)、细菌代谢通路丰度(图3C)、细菌遗传组成变异(图3D)、细菌遗传组成的缺失(图3E)等变化与宿主的血压、糖尿病指标、免疫指标及抑郁症等变化相关。

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图4 肠道微生物变化与宿主表型变化相关


3. 利用代谢组学技术发现和菌株相关的代谢物

那肠道微生物是如何影响宿主表型的呢?一般认为肠道微生物可能通过其代谢产物的吸收循环进入血液甚至穿透血脑屏障来调节宿主健康的。因此他们利用代谢组学技术检测了宿主血浆样品中代谢物的含量变化,并将血浆代谢物的含量和肠道菌群的变化做关联分析,一共观察到63种代谢物和5个物种的菌株群之间有显著关联。如,在292对样本中,他们识别了与15种代谢物相关的2种不同的F. prausnitzii菌株群 (图4A)。他们还同时观察到这些代谢物的丰度变化和菌株具有相关性(图4B-4E)。这些结果表明,不同的微生物菌株可能发挥不同的功能进而会影响宿主的代谢。

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图5 F. prausnitzii菌株与血浆心血管疾病相关代谢物的含量相关


4. 肠道微生物的变化与宿主血浆代谢物相关

作者还发现,部分肠道微生物的含量、遗传组成的变化也和宿主的血浆代谢物有一定的相关性,比如与尿毒素及硫胺素等与心血管病及慢性肾病相关的代谢物(图5)。其中,菌群-代谢物相关性和Blautia wexlerae的变异有关,这些变异区域具有多种功能:编码膜结构、尿酶和蛋白的结合等。

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图6 肠道菌的特征变化与和疾病相关的血浆代谢物相关


G350靶向肠道代谢组

靶向肠道,精准定性,绝对定量

中科新生命总结了肠道微生物研究中经常出现的几百种代谢物,利用基于LC-MS的定量金标准MRM技术对样本中的近350种代谢物进行绝对定量,覆盖诸多代谢物种类,包含:脂肪酸、氨基酸、神经递质、胆汁酸、有机酸、吲哚类、维生素等多类代谢物。