科研 | Clinical Infectious Diseases：HIV感染女性后肠道菌群和宿主代谢物谱的改变
编译：陈佩佩，编辑：小菌菌、江舜尧。
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已有研究表明，在 HIV 感染者中观察到肠道菌群 (GMB) 和宿主的代谢产物发生改变。然而，尚不清楚 GMB和宿主代谢紊乱之间的联系。本文对185名妇女进行研究（128名长期感染HIV，88%接受抗逆转录病毒治疗；57名来自同一地区但未感染 HIV）。采集受试者粪便标本，进行16S rRNA V4区测序分析，PICRUSt推断GMB功能。采用LCMS进行血浆代谢组学分析，并对133种代谢物（氨基酸、生物胺、酰基肉碱和脂类）进行分析。结果显示：
① 经鉴定有4个优势菌属与HIV感染有关，与未感染HIV的女性相比，感染HIV的女性体内 Ruminococcu和Oscillospira的丰度较高，而Bifidobacterium和 Collinsella的丰度较低。
② 与未感染HIV的女性相比，感染HIV的女性表现出明显的血浆代谢产物谱差异，甘油磷脂水平显著升高。
③ 功能分析表明，GMB脂质代谢在HIV感染女性中富集。Ruminococcus和Oscillospira是促进GMB甘油磷脂代谢途径的前几位细菌属，与宿主血浆甘油磷脂水平呈正相关。醋酸盐和丙酸盐生物合成途径中主要由双歧杆菌参与，并且双歧杆菌的代谢能力在HIV感染女性中低于HIV 未感染女性。
最后，本文得出了具有相关功能能力的肠道菌群的改变可能与HIV感染妇女血浆代谢产物谱的破坏有关的结论。
论文ID
原名：Altered Gut Microbiota and Host Metabolite Profiles in HIV-infected Women
译名：HIV感染女性后肠道菌群和宿主代谢物谱的改变
期刊：Clinical Infectious Diseases
IF：9.055
发表时间：2019.11
通讯作者：Qibin Qi
作者单位：美国爱因斯坦医学院
实验设计
1、目标研究人群
每6个月，参与者接受一次全面体检，提供生物标本并完成问卷调查。在本研究中，研究的185名女性（128名HIV+女性；57名 HIV-女性），其粪便样本在 2015-2017 年在WIHS Bronx研究中心使用家庭式自我收集试剂盒采集。
2、微生物组学分析
使用MiSeq平台对从粪便样本中提取的DNA进行16S rRNA V4区测序。使用微生物生态学定量(QIIME)软件包1.9.1版进行微生物组生物信息学分析。通过PICRUSt对肠道菌群群落的功能潜力进行分析。
3、代谢组学分析
对在离粪便样本采集时间最近的体检时采集的血浆样本进行代谢组学分析。通过液相色谱和流动注射分析-质谱进行代谢组学分析。本研究分析共纳入133种代谢物（21种氨基酸、6种生物胺、18种酰基肉碱、74种甘油磷脂和14种鞘脂类），所有代谢物的变异系数< 30%，缺失率< 25%。用给定代谢物的最小值填补缺失数据（低于可检测水平）。
4、统计分析
使用 Mann-WhitneyU检验（连续变量）和χ2检验（分类变量）比较HIV感染和HIV未感染女性的特征。应用Mann-Whitney U检验比较不同HIV感染状态微生物多样性指数（Shannon指数、Simpson指数和Chao-1指数）的差异。进一步使用线性回归模型检测HIV感染和确定的细菌属之间的关系，调整年龄、种族、收入、教育、BMI、大麻使用、益生菌使用和抗生素使用。
结果
1、受试者特征
HIV+组和HIV-组的人口统计学变量（年龄、人种/种族、教育程度和年收入）大体相似。HIV+和 HIV-参与者的 BMI相似。35%的HIV-感染者和20%的HIV+ 感染者报告吸食大麻。大多数HIV感染者的CD4+T细胞计数正常（73%，500个细胞/mm3），未检出HIV-1病毒载量（73%，< 20 copies/ml），且报告当前ART使用(88%)和长期ART使用（ART2年；83%）。与非使用者相比，目前的ART使用者的CD4+ T细胞计数正常和HIV-1病毒载量无法检测，但其他特征具有可比性。
2、HIV感染与肠道微生物组
细菌群落多样性指数（Shannon指数、Chao-1指数和 Simpsons 指数）在 HIV感染组和HIV未感染组之间无显著差异(p > 0.05)。在Bray-Curtis差异的 PcoA图中，未观察到HIV状态的明显分离。在PERMANOVA分析中未观察到多样性与HIV状态和相关因素（CD4+T细胞计数、病毒载量和ART使用）的显著相关性（所有R2<0.1，P>0.05）。
从测序标本中共鉴定出1015个独特的OTUs。最丰富的门是厚壁菌门，其次是拟杆菌门、变形菌门、放线菌门和梭杆菌门（图1）。LEfSe分析表明，HIV 感染与较高丰度的 Ruminococcus、Oscillospira和 Anaerotruncus相关；与较低丰度的bifidobacter、Collinsella和 Pyramidobacter相关。重点关注4个主要 HIV 相关属，Ruminococcus (3.56%)、Oscillospira (0.62%)、Bifidobacterium (1.16%) 和 Collinsella (1.32%)。Ruminococcus和Oscillospira同属梭状芽胞杆菌目，在最丰富的厚壁菌门（图 1）内，而Bifidobacterium和Collinsella同属放线菌门。
经过多元校正后，HIV感染与这4个菌属的相关性未发生实质性变化。观察到协变量和这四种细菌属之间存在一些提示的相关性。例如，BMI与Oscillospira呈负相关 (P = 0.057)，与Collinsella呈正相关 (P = 0.001)。大麻使用与 Collinsella呈正相关 (P = 0.073)。经大麻使用校正后，HIV感染与Collinsella相关性的程度 (Beta =-0.624,P = 0.035) 减弱到 (Beta=-0.54,P = 0.069)。与使用大麻的个体相比，未使用大麻的个体中 HIV 感染和Ruminococcus之间的相关性更强，存在边际显著相互作用（相互作用 P = 0.09）。排除抗生素使用者，或未使用 ART 的 HIV 感染妇女后，HIV 感染与这4种菌属的相关性没有改变（数据未显示）。
Ruminococcus和Oscillospira在未感染HIV组、CD4+T细胞计数高（≥500 个/cc）的HIV感染组和CD4 +T细胞计数低（< 500 个/cc）的HIV感染组中有增加趋势（图2A）。未感染HIV组的Bifidobacterium和Collinsella的相对丰度最高，但 HIV感染者的CD4 +T细胞计数高、低组之间的相对丰度差异无统计学意义（图2A）。在未感染HIV、HIV病毒血症和HIV病毒血症组中观察到这4个属的细菌丰度模式相似（图2B）。在使用和未使用ART的HIV感染者之间，未观察到这些菌属的显著差异。进一步研究这些属与特定类别的 ART 药物包括蛋白酶抑制剂、非核苷类逆转录酶抑制剂、核苷类逆转录酶抑制剂和整合酶抑制剂，但未发现显著相关性。
3、HIV感染和宿主血浆代谢组学特征
同一类别中的大多数代谢物彼此之间表现出中等至高的相关性，尤其是脂类。尽管这两组没有完全分开，但是所有代谢物的 PLSDA揭示了HIV感染组和HIV未感染组之间的区别（图3A）。PLSDA共选择了15个对区分有主要贡献的代谢物（VIP > 1.5），包括10个甘油磷脂、1个鞘脂 (SM C18:0)、2个氨基酸（异亮氨酸和赖氨酸）和2个生物胺（α-AAA和犬尿氨酸），其中7个（5个甘油磷脂、鞘脂 C18:0和异亮氨酸）在多变量校正后显示 HIV感染者和HIV未感染个体之间存在显著差异（FDR 校正 P < 0.05）。在 HIV 感染中改变的主要代谢产物是甘油磷脂（图3B）。此外，较高的犬尿氨酸/色氨酸比值与HIV感染相关 (P = 0.021)，但不在第一位。排除未使用ART的HIV感染妇女后，HIV感染与这些代谢产物的相关性没有改变。在使用和未使用 ART 的 HIV 感染参与者之间未观察到代谢物水平的显著差异，但应注意到在本文分析中未使用 ART 的参与者数量相对较少 (n = 15)。
4、肠道微生物组和宿主血浆代谢产物的联系
两个 HIV 增加的细菌属，尤其是Ruminococcus，与血浆甘油磷脂呈正相关，但与氨基酸或生物胺无相关性。除Collinsella与谷氨酸呈正相关外，Bifidobacterium和 Collinsella这两个HIV减少的微生物属与血浆代谢产物不相关（图4）。
PICRUSt分析显示，HIV感染者体内微生物脂质代谢途径显著富集 (P = 0.01)。因此，关注微生物脂类代谢途径，以探索HIV增加的细菌属与宿主脂类代谢产物之间的关系。在甘油磷酸脂类代谢途径中，共有31个甘油磷酸脂类代谢途径酶的同系物（由 KEGG 直系同源组，KOs 测定）由本研究中的优势属编码。这些同系物在许多细菌属中被遗传编码，而每个属也可以编码多个酶同系物。甘油磷酸脂类代谢途径酶同系物数量较多的细菌属（由各自属的相对丰度加权）与宿主血浆甘油磷酸脂类水平的相关性强于同系物数量较少的细菌属（图5）。例如，Ruminococcus在甘油磷酸脂类代谢途径中的酶同系物加权数量最多，与宿主血浆甘油磷酸脂类水平的相关性最强。尽管双歧杆菌与测定的任何血浆代谢产物均不相关，但可从醋酸盐和丙酸盐生物合成途径中的一种细菌功能能力 (K11263)鉴定出13种主要由双歧杆菌引起，HIV感染女性的这种功能能力低于 HIV未感染女性(P = 0.007)。
图5 优势菌属、宿主血浆甘油磷脂和细菌对甘油磷脂代谢途径的贡献之间的关系。每个节点代表一个属，平均相对丰度大于0.05%的所有优势属被纳入本分析。X轴描述了甘油磷脂代谢途径中的加权细菌酶（反向正常转化）。细菌属的相对丰度与血浆甘油磷脂代谢产物浓度之间的 Spearman 相关系数（反正态转换）用 Y 轴表示。根据 PICRUSt 插补的功能内容分析，每个genuss对甘油磷脂代谢途径的贡献首先由 KEGG 直系同源组(KOs)的数量测量，KOs由细菌遗传编码。然后用每个属的相对丰度加权这种遗传贡献。
讨论
HIV 感染及其导致的免疫系统改变肠道微生物组的程度仍存在争议。本研究确定了两个微生物属，Ruminococcus和 Oscillospira，它们在HIV感染的女性中富集。Ruminococcus是一种革兰氏阳性厌氧菌，常见于人体肠道。Oscillospira是一种不可培养的细菌，与Ruminococcus属于同一目（梭菌目）。Oscillospira在消瘦或低 BMI 个体中富集。多变量校正模型和分层分析提示，观察到的HIV感染和Oscillospira之间的关系可能独立于肥胖。然而，考虑到HIV感染和ART 使用与肥胖和脂肪分布的密切关系，未来的研究有必要调查Oscillospira和其他细菌在 HIV 感染和肥胖之间的潜在联系。
研究发现与无HIV感染的女性相比，HIV感染女性具有独特的血浆代谢产物谱，特征为甘油磷脂水平升高。有趣的是，发现了HIV增加的细菌属——Ruminococcus和 Oscillospira与宿主血浆脂质谱相关。进一步的证据支持肠道菌群对宿主脂质代谢物谱的潜在贡献。我们的 PICRUSt 分析表明，Ruminococcus和 Oscillospira是最具有甘油磷脂代谢途径匹配基因的重要菌群。甘油磷脂途径与HIV感染者的肺部菌群相关，Ruminococcus和甘油磷脂代谢途径在心血管疾病中的潜在影响也有报道。然而，我们的PICRUSt 结果应该谨慎解读，Ruminococcus和其他细菌与宿主甘油磷脂谱的直接生物学联系需要阐明。
Bifidobacterium（人体肠道中一种常见的益生菌属）在HIV感染的女性中下降，而这一发现部分地得到了之前在儿童。本研究分析表明，在感染HIV的妇女中，一种推断的细菌在醋酸盐和丙酸盐生物合成途径中的功能低于那些没有感染 HIV的妇女，并且这种功能在我们的样本中主要是由双歧杆菌贡献的。这与Bifidobacterium能产生短链脂肪酸(SCFAs)。然而，我们目前的研究结果在临床实践中的意义仍不清楚，未来的研究需要检测含有双歧杆菌的益生菌对 HIV 感染者的潜在益处。
结果
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