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Cell:傅静远团队开发出高精度肠道微生物指纹算法

发布日期:2021-04-19
  我们的肠道中定殖着与身体细胞数量相当的微生物,包括细菌、真菌等。不同个体肠道微生物组成存在着差异,且在诸如荷兰Lifelines、芬兰FINRISK、英国UKbiobank、比利时FGFP、美国HMP等大型人群队列研究中发现个体肠道微生物组成的差异与健康和疾病相关,包括心血管病、糖尿病、炎症性肠病、癌症等。

  然而个体间肠道微生物菌群组成及遗传结构可随着时间而变化,了解菌群个体特异性、稳定性或变异性将有助于了解菌群与人体自身健康状态的因果关系,为开发基于改善肠道微生物从而促进人体健康的个性化医疗手段提供直接依据。

  2021年4月9日,荷兰格罗宁根大学医学中心傅静远教授团队在Cell发表了题为:The long-term genetic stability and individual specificity of the human gut microbiome的研究论文。

  该团队陈连民、王道明博士等通过Lifelines随访队列,探索了个体四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,实现通过测定粪便样本中微生物的遗传构成便可辩别样本归属于哪位受试者,精确程度高达85-95%。

  该肠道微生物指纹算法可能在混淆样品重排、法医鉴定、个性化医疗等领域具有重要的应用价值。

  该研究还鉴别出许多不稳定肠道微生物,且这些微生物在含量、遗传组成上的变化与宿主自身健康状况的变化相关(图1A)。例如:细菌丰度(图1B)、细菌代谢通路丰度(图1C)、细菌遗传组成的变异(图1D)、细菌遗传组成的缺失(图1E)等变化与宿主血压、糖尿病指标、免疫细胞及抑郁症等变化相关。
图1 肠道微生物变化与宿主表型变化相关

  为回答肠道微生物是如何影响宿主表型,研究人员认为肠道微生物可能通过其代谢功能产生众多代谢物,从而被肠道上皮吸收进入血液大循环,最终得以影响机体代谢健康。为此,研究人员利用非靶向代谢组技术在血浆样品中测定了一千多种代谢物的含量,发现近15%的代谢物可能由肠道微生物产生。

  进一步地,将肠道微生物变化与血浆代谢物相关联,发现一些个体肠道中细菌菌株的改变与血浆代谢物变化相关。例如,个体肠道中益生菌菌株的变化与其血浆中多种心血管病相关的代谢物浓度变化相关(图2)。
图2 Faecalibacterium prausnitzii菌株改变与血浆心血管病相关代谢物浓度变化相关

  除菌株层面变化外,肠道微生物的含量,特定遗传组成等变化也与血浆代谢物广泛相关,特别是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3)。值得注意的是,22.6%的菌群-代谢物关联是在Blautia wexlerae的遗传组成变异中发现,而这些变异区域具有编码膜结构、氨基酸酶、尿酶和蛋白结合等功能。
图3 多种微生物特征变化与血浆代谢物相关

  研究人员进一步通过双向中介分析揭示了肠道微生物通过其代谢物影响宿主血压、血糖及血脂等心血管病指标(图4)。极大程度上丰富了我们对于肠道微生物代谢物在人类健康和疾病中的分子作用机制的认识。研究发现微生物通过介导硫胺素和乙酰基-N-甲酰基-5-甲氧基犬尿氨酸(AFMK)以影响人体血压。其中,硫胺素对人体心血管疾病的影响已经在临床随机对照试验中验证。AFMK是褪黑素的一种降解产物,可以通过抑制前列腺素合成来降低血压。

  中介分析发现多种肠道细菌可以参与到这些通路中。例如微生物硫酸盐还原生物通路可以通过提高血浆硫胺素的水平来降低血压(图4C);微生物脂多糖的合成也可以通过影响血浆AFMK来调节血压(图4D)。此外,研究者也发现了血液代谢物也介导了肠道菌群对人体血脂和血糖的影响。例如酪醇4-硫酸盐,一种尿毒症毒素,介导了球菌Ruminococcus的SV对人体低密度脂蛋白的影响(图4E)。
图4 多种微生物特征变化与血浆代谢物相关

  除此以外,该研究还系统性地测定了肠道微生物所携带的抗生素抗性及毒性物质合成基因含量,发现随着时间的推移肠道微生物所携带的抗生素抗性及基因含量有显著的富集,且该富集可能与肉蛋奶等摄入量有关。

  陈连民博士表示,研究肠道微生物的稳定性及其与宿主健康状态的关系极大地丰富了我们对于肠道微生物在人体健康与疾病中的作用的认识,一定程度揭开了肠道微生物在人体健康和疾病中的神秘面纱,为开发通过靶向肠道微生物进而改善人体健康状态的个性化精准医疗提供了重要资料参考。

  论文链接:

  http://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.024


  来源:网络

 
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