科研 | Microbiome：多组学揭示遗传和环境风险对乳糜泻婴儿肠道菌群的影响
编译：太阳味的风，编辑：Tracy、江舜尧。
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乳糜泻（CD）是一种自身免疫性消化疾病，CD的引发机制包括：早期接触环境刺激（剖宫产、抗生素），配方奶粉喂养或其他通过尚不清楚的机制。在本篇文章中，研究者使用多组学手段综合分析了遗传和环境危险因素对乳糜泻风险婴儿肠道菌群的影响。研究者首先构建了一个新生儿样本库，然后对刚刚出生、出生三个月和出生六个月的婴儿粪便进行宏基因组和代谢组测序；随后通过严格的多变量关联分析、横向和纵向分析，以探索遗传易感性和环境风险因素对肠道微生物群组成的影响。这些分析揭示了微生物种类、功能途径和代谢物的变化，并探究了它们与环境风险因素和遗传的关系。结果发现，剖宫产可能导致类杆菌、多雷杆菌和叶酸生物合成途径的减少，并且可能导致羟基苯乙酸增加，这些变化与免疫系统功能障碍和炎症有关；纵向分析显示，在未暴露于任何环境风险因素的婴儿中，类杆菌和3-3-羟基苯丙酸的丰度随着时间的推移而增加，而硫辛酸和甲烷代谢途径的丰度则降低，这些结果有益于免疫调节和抗炎作用。总的来说，研究者的研究揭示了CD风险婴儿肠道微生物群的主要分类和功能变化，最终将遗传和环境风险因素与有害的免疫调节和炎症效应联系起来。
论文ID
实验设计
实验结果
1. 遗传和环境风险因素与各种微生物群特征的关系
研究者使用MaAsLin程序研究了不同微生物组特征（包括微生物种类、功能途径和代谢物）与CD发生的遗传风险，以及其与三个关键环境风险因素（包括分娩方式、抗生素暴露和婴儿喂养类型）之间的关系（见图2）。
2. 遗传风险
研究者发现，当婴儿4-6个月大时，遗传导致发生CD的风险与几种链球菌和共球菌的丰度降低有关（图2；FDR调整的p值 < 0.05），而先前有报道称，在患有自身免疫疾病（包括CD）的遗传风险患者肠道中，共球菌的数量减少。与无遗传风险相比，标准和高遗传风险也与类杆菌和肠球菌的丰度分别增加有关，遗传风险和双歧杆菌或变形菌门丰度增加之间的关联研究者在实验中没有观察到。除了与微生物种类相关外，研究者还发现，CD的高遗传风险与婴儿4-6个月大时许多功能途径的丰度降低有关（图3；p值< 0.05），这些途径包括氨基酸代谢、次生代谢产物的生物合成和辅酶的代谢，包括泛醌和其他萜类醌的生物合成，此外，研究者确定了高遗传风险与许多代谢物之间的关联（图4，p值 < 0.05）。
3. 婴儿出生方式
研究者发现，与先前的研究结果一致，剖宫产术后，各时间点的几种类杆菌和对聚乳酸菌的丰度降低，粪肠球菌（出生后3个月）的丰度增加（图2；FDR调整的p值 < 0.05）。研究者发现剖腹产会导致有益物种-外阴类杆菌和多雷类杆菌数量减少；而对通路的分析表明，剖宫产会导致产后4-6个月核黄素代谢和叶酸生物合成降低（图3；p值 < 0.05），而代谢物分析揭示了剖宫产与许多代谢物丰度的增加有关，如丁酸（3个月和4-6个月时）、乙醇酸、草酸和羟基苯乙酸（4-6个月时）（图4，p值 < 0.05）。在前人的研究中，血清中羟基苯乙酸的含量增加与溃疡性结肠炎有关，然而，肠道中的代谢物水平和血清中的代谢物水平之间还没有明确的联系，此外，据报道，丝氨酸在剖宫产术中减少被认为是效应T细胞扩增和调节适应性免疫反应所必需的。
4. 婴儿喂养方式
在本研究中，研究者调查了三种婴儿喂养方式，它们是纯母乳喂养、纯配方奶粉喂养、母乳和配方奶粉喂养，其中后两种被认为具有环境风险因素。先前的研究表明婴儿喂养类型和不同种类的双歧杆菌之间存在关联，与这些报告一致，研究者观察到接触母乳和配方奶粉与双歧杆菌（4-6个月时）的丰度降低有关，而与纯母乳喂养相比，纯配方喂养与双歧杆菌丰度增加有关（图2；FDR调整后p值 < 0.05）。研究者还发现，与之前的研究结果一致，配方喂养与表皮葡萄球菌的丰度降低有关。路径分析表明，接触配方奶粉或同时接触母乳和配方奶粉，与脂质、氨基酸和萜类代谢和外源性降解途径的丰富性增加有关，也与碳水化合物和能量代谢途径的丰度降低有关（图2；p值<<0.05），此外，代谢组学分析发现母乳和配方奶喂养导致高丝氨酸、α-D-吡喃葡萄糖苷和氢肉桂酸（4-6个月时）的含量降低（图4；p值< 0.05）。
5. 使用抗生素
研究者发现抗生素暴露（一个环境风险因素）和类杆菌（4-6个月大）丰度增加之间存在关联（图2；FDR调整的p值 < 0.05），类杆菌是多糖的重要代谢者，先前的研究证实了这一点。路径分析还揭示了抗生素暴露会导致苯丙氨酸代谢丰度降低、氰胺酸（3个月和4-6个月）和半乳糖代谢（4-6个月）丰度增加（图3；p值<<0.05）。
图1 样本选择和研究设计示意图
研究者从CDGEMM研究中选择了31名婴儿，这些婴儿在出生时、出生后3个月和4-6个月时都有粪便样本。样本进行了宏基因组和代谢组学分析。
图2 遗传和环境风险因素与微生物种类之间的关联分析
使用MaAsLin，一个广泛使用的多元统计框架，来确定每个遗传和环境风险因素与微生物种类（p值<0.01）、无遗传风险、阴道分娩、纯母乳喂养之间的统计显著关联。根据欧氏距离对微生物进行聚类。
图3 遗传和环境风险因素与功能途径之间的关联分析
使用MaAsLin来确定每个遗传和环境风险因素与功能途径之间的统计显著相关性（p值<0.01），并根据欧几里德距离对路径进行聚类。
图4 遗传和环境风险因素与代谢物之间的关联分析。
研究者使用MaAsLin来确定每个遗传和环境风险因素与代谢物之间的统计显著相关性（p值<0.01）。根据欧氏距离对代谢物进行聚类。
6. 环境风险暴露与未暴露婴儿的微生物群落变化
在这里，研究者进行了横向（个体间）分析，以探索肠道微生物群（微生物，途径和代谢物）在婴儿间的变化。环境因素分析表明婴儿无论是否暴露于环境因素，其体内的物种数量没有显著差异，然而，路径分析显示，暴露于环境因素中的婴儿具有更丰富的外源性降解、脂肪酸代谢和脂质代谢途径，以及甲苯、二甲苯和联苯降解途径（4-6个月时）（图2A；p值<<0.05），此外，代谢组学分析发现，环境风险暴露婴儿在所有研究时间点的高丝氨酸和2-酮丁酸减少，核糖和酪胺增加（图2B；p值<<0.05）。
图5 遗传易感性婴儿微生物群特征的横向分析。
（A）功能途径（p值<0.05）和（B）根据Mann-Whitney U检验（p值<0.05），风险暴露和未暴露婴儿之间的代谢物含量不同（p值<0.05）。
7. 环境风险暴露和未暴露婴儿微生物群落的纵向变化
研究者从纵向（时间）对结果进行分析，通过确定出生后前6个月肠道微生物群组成、功能和代谢组的动态变化，获得了横向分析之外的更多研究报告（图3）。通过对微生物种类进行的纵向分析，研究者发现在环境风险暴露的婴儿中，许多物种的丰度随着时间的推移而增加（图3A；FDR调整的p值 < 0.05），例如，在研究期间，厌氧菌的丰度增加，克雷伯菌属和丹毒杆菌科细菌的丰度从出生后的4-6个月增加。在检查未接触环境风险的婴儿时，研究者观察到，在出生后的前6个月，类杆菌的丰度单调增加；纵向路径分析显示，环境暴露婴儿的乙醚脂质代谢丰度从3个月龄增加到4-6个月大（图3B；p值<<0.05）。对于未暴露于环境风险的婴儿，研究者观察到3个月和4-6个月时的硫代谢和硫辛酸代谢的丰度，4-6个月时甲烷代谢和生物素代谢的丰度与出生时相比有所下降。据报道，硫辛酸是一种抗氧化剂，被认为对自身免疫性疾病的先天性和适应性免疫系统具有有益的免疫调节作用；甲烷也被证明具有抗炎作用，在动物模型中进行试验时，可以促进肠道的免疫耐受性。代谢组学分析显示，在研究期间，环境暴露婴儿的赤藓糖醇丰度单调增加，（图3C；p值 <0.05），通过纤维的细菌发酵在结肠中产生的丙酸能够促进调节性T细胞的生成。
图6 遗传易感婴儿的微生物群落特征纵向分析
（A）微生物种类，（B）功能途径，和（c）代谢。
讨论
研究者在分析中发现许多微生物、途径或代谢物在已有的报道中得到了很好的支持，它们与炎症、自身免疫疾病或免疫系统功能障碍有关，因此，它们在CD中可能有类似的作用。剖宫产与外阴类杆菌和多雷类杆菌数量减少、叶酸生物合成途径以及羟基苯乙酸丰度增加之间存在关联。据报道，所有这些模式都与免疫功能受损和炎症性疾病（如T1D（一型糖尿病）和溃疡性结肠炎）有关，这也可能使婴儿易患CD。
尽管横向分析没有发现任何微生物物种在任何特定时间点发生显著变化，但研究者的纵向分析得出了显著结果，这一结果强调了在受试者内部进行分析是有价值的，并且这使研究者能够评估风险因素对肠道微生物群发展动态的影响，并将动力学与炎症敏感性增加联系起来，例如，暴露在环境中的婴儿，随着时间的推移，克雷伯氏菌（一种与自身免疫疾病有关的微生物）的含量不断增加，丙酸（一种促进先天性和适应性免疫的代谢物）的含量随着时间的推移而减少；相比之下，在没有暴露于环境危险因素的婴儿中，研究者观察到与有益的免疫调节作用和保护免疫系统激活和炎症相关的模式，例如随着时间的推移，类杆菌的数量不断增加，硫辛酸和甲烷代谢的丰度降低。
与以往CD微生物组学研究通常基于16SrRNA扩增子测序不同，本篇文章中，研究者使用了Shotgun宏基因组测序法，该测序符合微生物群的功能特征，这一点尤其重要，因为先前的研究表明，与单独的分类学组成相比，功能表征是对微生物群落状态更有力的描述；然而，鉴于样本量相对较小，研究者的数据应被视为探索性数据。这一局限性可以通过持续招募志愿者来解决，这将允许研究者在将来使用更多的受试者来验证研究者的发现。