編譯：微科盟小木，編輯：微科盟小編、江舜堯。

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導(dǎo)讀  

腸道微生物組與多種疾病相關(guān)，但尚未確定健康或不健康微生物群的普遍特征，因此需要了解遺傳、暴露、生活方式和飲食如何塑造健康和疾病中的微生物群。本研究分析了來(lái)自2756個(gè)家庭的三代人群隊(duì)列中的8208名荷蘭人腸道微生物群的細(xì)菌組成、功能、抗生素耐藥性和毒力因子。我們將這些與241個(gè)宿主和環(huán)境因素相關(guān)聯(lián)，包括身體和心理健康、藥物使用、飲食、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素以及童年和當(dāng)前暴露。結(jié)果發(fā)現(xiàn)微生物群主要由環(huán)境和同居塑造。只有約6.6%的分類(lèi)群是可遺傳的，而約48.6%的分類(lèi)群的變異可以通過(guò)同居來(lái)解釋。通過(guò)確定微生物組與健康之間的2856種關(guān)聯(lián)，我們發(fā)現(xiàn)看似無(wú)關(guān)的疾病具有共同的微生物組特征，該特征與合并癥無(wú)關(guān)。此外，我們確定了微生物組特征與飲食、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、早期和當(dāng)前暴露之間的7519種關(guān)聯(lián)，其中許多早期和當(dāng)前因素與微生物組功能和組成顯著相關(guān)?？傮w而言，本研究全面概述了腸道微生物組以及遺傳力和暴露的潛在影響，這將促進(jìn)微生物群靶向治療的未來(lái)發(fā)展。

論文ID

原名：Environmental factors shaping the gut microbiome in a Dutch population

譯名：環(huán)境因素塑造了荷蘭人的腸道微生物群

期刊：Nature

IF：69.504

發(fā)表時(shí)間：2022.4

通訊作者：傅靜遠(yuǎn)、R. K. Weersma ＆ A. Zhernakova

通訊作者單位：荷蘭格羅寧根大學(xué)醫(yī)學(xué)中心

DOI：10.1038/s41586-022-04567-7

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)果

1 荷蘭微生物組項(xiàng)目

在Lifelines中啟動(dòng)了荷蘭微生物組項(xiàng)目(DMP)，這是一個(gè)來(lái)自荷蘭北部的具有明確表型的三代人群隊(duì)列和生物庫(kù)。在DMP中，我們描述了8208名個(gè)體的腸道微生物群組成和功能(年齡范圍8-84歲，57.4%為女性，99.5%為荷蘭歐洲血統(tǒng)；其中4745名個(gè)體聚集在2756個(gè)家庭；圖1a，補(bǔ)充表2d)。數(shù)據(jù)集(由Metaphlan2處理和HUMAnN2)包含1253個(gè)分類(lèi)群(4界,21門(mén),35綱,62目,128科,270屬和733種)和564條代謝通路，其中包括257個(gè)古菌和細(xì)菌分類(lèi)群以及277條相對(duì)豐度高于0.01且存在于超過(guò)5%的個(gè)體中的通路。

本研究的樣本量使我們能夠覆蓋通過(guò)bootstrap分析估計(jì)的微生物功能特征總數(shù)的90%以上：574.4個(gè)(標(biāo)準(zhǔn)誤差=4.2)中有564個(gè)預(yù)期的MetaCyc通路，190個(gè)(標(biāo)準(zhǔn)誤差= 0.05)中有190個(gè)(標(biāo)準(zhǔn)誤差=0.05)毒力因子，303個(gè)(標(biāo)準(zhǔn)誤差=0.03)中有303個(gè)(標(biāo)準(zhǔn)誤差=0.03)抗生素耐藥基因，136.5個(gè)(標(biāo)準(zhǔn)誤差=2.7)中有128個(gè)(標(biāo)準(zhǔn)誤差=2.7)科水平或更高水平的微生物分類(lèi)群(圖1b)。通過(guò)對(duì)隊(duì)列進(jìn)行二次抽樣，我們估計(jì)，當(dāng)至少對(duì)隊(duì)列的40%(約3300個(gè)樣本)進(jìn)行采樣時(shí)，這些微生物特征的存在率會(huì)變得相對(duì)穩(wěn)定(在整個(gè)隊(duì)列觀察到的數(shù)量的90%以?xún)?nèi))。然而，隨著樣本量的增加，發(fā)現(xiàn)的微生物物種數(shù)量持續(xù)增加，在2.5萬(wàn)份樣本中，種群的總物種數(shù)量估計(jì)為600種(標(biāo)準(zhǔn)誤差=27)，這表明還有其他稀有微生物物種未被發(fā)現(xiàn)(圖1b，擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖1)。腸道微生物群組成在種群中高度可變，例如擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)的相對(duì)豐度在5%-95%以上不等(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2c)。與大多數(shù)菌門(mén)相比，最豐富的微生物通路的可變性明顯降低(單側(cè)F檢驗(yàn)錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(FDR)<0.05，擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖2d，補(bǔ)充表2g)。 

圖1 荷蘭微生物組項(xiàng)目概述。a，隊(duì)列的圖形摘要和可用元數(shù)據(jù)的概述(n =收集的變量數(shù)，N=樣本量)。b，與樣本量相關(guān)的微生物特征數(shù)量。點(diǎn)表示平均值。誤差條顯示100次重復(fù)采樣的SD。c, PCoA可視化隊(duì)列的β-多樣性。顏色表示P. copri的相對(duì)豐度。箭頭表示自我報(bào)告的健康、人體測(cè)量學(xué)和糞便樣本元數(shù)據(jù)的影響。CARDs，來(lái)自綜合抗生素耐藥性數(shù)據(jù)庫(kù)的抗生素耐藥基因家族；PCo，主坐標(biāo)；VFs，細(xì)菌毒力因子。

2 核心物種

為了找到對(duì)腸道生態(tài)系統(tǒng)的組織和維持可能至關(guān)重要的微生物物種和通路，我們調(diào)查了存在于超過(guò)95%的個(gè)體中的微生物分類(lèi)群(指定這些核心微生物)和在微生物共豐度網(wǎng)絡(luò)中形成中心節(jié)點(diǎn)的分類(lèi)群(指定的關(guān)鍵特征)。我們確定了9個(gè)核心物種(Subdoligranulum sp.、Alistipes onderdonkii、Alistipes putredinis、Alistipes shahii、單形擬桿菌Bacteroides uniformis、普通擬桿菌Bacteroides vulgatus、直腸真桿菌Eubacterium rectale、Faecalibacterium prausnitzii和Oscillibacter sp.)，它們與在英國(guó)、美國(guó)、歐洲和非西方地區(qū)發(fā)現(xiàn)的物種高度一致(補(bǔ)充表1a)。我們還確定了28個(gè)物種和53條通路作為潛在的關(guān)鍵特征，分別由超過(guò)109個(gè)和337個(gè)顯著的共豐度定義(FDR<0.05)。由這些特征定義的網(wǎng)絡(luò)顯示出20.2%的物種重疊和25.3%通路重疊。

9種已確定的核心微生物中的5種(A. putredinis、A. shahii、F. prausnitzii、Oscillibacter sp.和Subdoligranulum sp.)也是關(guān)鍵物種，這意味著它們?cè)诤商m人的腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)中具有核心作用。例如，F(xiàn). prausnitzii是一種主要的產(chǎn)丁酸菌，在許多慢性疾病中被消耗，它與大多數(shù)擬桿菌(Bacteroidetes)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)物種顯示出顯著的共豐度(補(bǔ)充表1e)。但我們也發(fā)現(xiàn)了低流行率(10%)的潛在關(guān)鍵物種，包括Ruminococcus gnavus和梭菌屬(Clostridium)的多個(gè)物種，它們與多種疾病正相關(guān)(補(bǔ)充表3b)，這與之前的研究一致。

3 Prevotella copri 定義集群

使用主坐標(biāo)分析(PCoA)對(duì)本研究隊(duì)列中的微生物組數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析，發(fā)現(xiàn)第一個(gè)主坐標(biāo)是由Prevotella copri驅(qū)動(dòng)的(Spearman r = 0.68, P= 3.6×10-180；圖1c，補(bǔ)充表9)。該細(xì)菌在我們的隊(duì)列中呈雙峰分布，并根據(jù)其存在或不存在定義了兩個(gè)集群(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3a, b)。根據(jù)之前的研究，我們觀察到高豐度的P. copri與較低的腸易激綜合征(IBS)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)(優(yōu)勢(shì)比=0.72，95%置信區(qū)間0.61-0.86)。我們還發(fā)現(xiàn)P. copri與一般健康水平呈正相關(guān)(優(yōu)勢(shì)比=1.24，95%置信區(qū)間1.11-1.40，F(xiàn)DR＜0.05；擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖3c)。盡管之前的研究報(bào)道了以擬桿菌屬(Bacteroides)、普雷沃菌屬(Prevotella)和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)為主的不同腸型，但我們只觀察到兩個(gè)這樣的集群，這可能是因?yàn)楸狙芯康年?duì)列在種族上是統(tǒng)一的，并且來(lái)自有限的地理區(qū)域。

功能潛力的PCoA顯示與許多通路高度相關(guān)，而不是單個(gè)通路，解釋變異的最主要特征是queuosine生物合成、肽聚糖生物合成和L-異亮氨酸生物合成通路(補(bǔ)充表9)。與通路相似，毒力因子的PCoA顯示與編碼各種細(xì)菌功能的多個(gè)基因家族相關(guān)，包括參與細(xì)菌侵襲腸道細(xì)胞的鞭毛蛋白(基因家族VF0114，Spearman r = 0.60，P≈0.0)、細(xì)菌鐵載體(VF0136、VF0228和VF0256；Spearman r = 0.55、0.58、0.51；P <1.0×10-100)、分泌系統(tǒng)(VF0333；Spearman r=0.76，P≈0.0)和細(xì)菌粘附因子(VF0221和VF0404；Spearman r=0.581和0.561；P<1.0×10-100)。相比之下，抗生素耐藥基因的PCoA顯示主要由3個(gè)對(duì)四環(huán)素抗生素產(chǎn)生耐藥性的基因家族組成：核糖體保護(hù)蛋白ARO_30001914和ARO_3000191編碼基因家族(Spearman r分別為0.81和0.68；P≈0.0)和外排泵編碼基因家族ARO_3000567 (Spearman r=0.50，P≈0.0)。 

4 同居勝過(guò)遺傳力

接下來(lái)，我們探討了家庭結(jié)構(gòu)、同居和其他暴露因素在腸道微生物群形成中的相對(duì)貢獻(xiàn)。使用研究隊(duì)列的多代家族結(jié)構(gòu)來(lái)估計(jì)微生物類(lèi)群的遺傳力，并在經(jīng)FDR校正的P<0.1時(shí)確定了17個(gè)可遺傳類(lèi)群(占測(cè)試類(lèi)群的6.6%)(圖2a,補(bǔ)充表5)。變形菌(Proteobacteria)的遺傳力最高(h2=0.308，其中h=狹義遺傳力(由加性遺傳效應(yīng)引起的微生物分類(lèi)群豐度的變化比例))，其次是嗜黏蛋白阿克曼氏菌 (Akkermansia muciniphila，h2=0.302)及更高水平的類(lèi)群擬桿菌科(Bacteroidaceae，h2=0.299)，擬桿菌科物種Parabacteroides goldsteinii(h2=0.266)和Bacteroides coprocola(h2=0.228)、長(zhǎng)雙歧桿菌(Bifidobacterium longum，h2=0.247)、Phascolarctobacterium屬(h2=0.245)和梭菌目(Clostridiales)的屬水平集群(h2=0.237)。在微生物通路中，只有7個(gè)在經(jīng)FDR校正的P值<0.1時(shí)是可遺傳的，包括脂質(zhì)IVA生物合成通路(NAGLIPASYN-PWY)、5-磷酸吡哆醛生物合成的兩條通路(PWY0-845和PYRIDOXSYN-PWY)、異亮氨酸生物合成II通路(PWY-5101)和前醌生物合成通路(PWY-6703)。通路和分類(lèi)群的遺傳力表現(xiàn)出一定程度的一致性：NAGLIPASYN-PWY與變形菌高度相關(guān)(R=0.64)，其他可遺傳通路大多與擬桿菌科(Bacteroidaceae)和部分?jǐn)M桿菌科物種相關(guān)。

之前已觀察到其中一些分類(lèi)群的遺傳力。據(jù)報(bào)道，在對(duì)英國(guó)雙胞胎的研究中，阿克曼氏菌(Akkermansia)和雙歧桿菌(Bifidobacterium)以及梭菌目中的一些屬是可遺傳的，并且在加拿大人群基于家族的分析中報(bào)告了擬桿菌科成員的遺傳力，包括擬桿菌屬(Bacteroides)和副擬桿菌屬(Parabacteroides)。我們的結(jié)果并沒(méi)有復(fù)制這些研究中的一些可遺傳分類(lèi)群，這可能是由于所使用的技術(shù)(使用16S和宏基因組測(cè)序以及不同的DNA分離方法)或參考數(shù)據(jù)庫(kù)的差異，即一些類(lèi)群不在參考數(shù)據(jù)庫(kù)中(如克里斯滕森菌科Christensenellaceae在Metaphlan2數(shù)據(jù)庫(kù)中)，沒(méi)有超過(guò)5%的存在閾值(Turicibacter)，或者由于存在率低而顯示出非常低的遺傳力檢測(cè)能力(利用Metaphlan3數(shù)據(jù)庫(kù)分析Christensenellaceae、Euryarchaeota)。

同居的影響比遺傳的影響大得多，257個(gè)分類(lèi)群中有125個(gè)(48.6%)受到同居的顯著影響，同居史解釋了22個(gè)類(lèi)群(8.6%)的顯著差異(補(bǔ)充表5a)。無(wú)論參與者的親緣關(guān)系如何，同居參與者的微生物組也比分開(kāi)生活的參與者更相似，父母子女組、兄弟姐妹組和不相關(guān)伙伴的微生物組比非同居參與者的微生物組更相似(圖2c-e，基于Wilcoxon檢驗(yàn)FDR<1.0×10-5)。我們進(jìn)一步觀察到微生物通路、毒力因子和抗生素耐藥基因組成的相似模式(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖4a-c)。

這些結(jié)果表明，整個(gè)微生物組的組成受到同居的顯著影響，而遺傳的作用較小，雖然少數(shù)微生物類(lèi)群(如A. muciniphila、B. longum和Bacteriodaceae)具有顯著的可遺傳性并在不同群體間表現(xiàn)出一定程度的復(fù)制。但考慮到本研究隊(duì)列(方法)的設(shè)置以及在幾個(gè)分類(lèi)群和通路上觀察到的比較高的同居效應(yīng)，我們對(duì)遺傳力的估計(jì)可能會(huì)略微夸大。

圖2 遺傳力及同居對(duì)腸道微生物群的影響。a, 20個(gè)可遺傳物種。b，前20條可遺傳通路。**FDR < 0.1時(shí)，可顯著遺傳的分類(lèi)群；*具有名義上顯著遺傳力的分類(lèi)群(P < 0.05)。誤差線顯示遺傳力的95%置信區(qū)間。a,b的結(jié)果是從1432個(gè)家庭的3571個(gè)不同個(gè)體中計(jì)算出來(lái)的。c-e，成對(duì)微生物組距離比較。中心線是中位數(shù)，框限表示上、下四分位數(shù)，須表示1.5×四分位數(shù)范圍，點(diǎn)表示異常值，輪廓顯示數(shù)據(jù)的分布。通過(guò)將隨機(jī)非同居組(n=2000)與同居伴侶(n =1710)、父母子女組(n=285)和兄弟姐妹組(n=144) (c)，隨機(jī)配對(duì)(n=2000)與非同居父母子女組(n=301)和兄弟姐妹組(n=299) (d)以及隨機(jī)配對(duì)(n=2000)與非同居一級(jí)親屬組(n=600)和同居一級(jí)親屬對(duì)(n=429) (e)的微生物物種進(jìn)行比較來(lái)計(jì)算Bray-Curtis相異度，在c-e中，**FDR<1.0×10-5，*FDR<0.05(基于Wilcoxon檢驗(yàn)，雙側(cè))。

5 關(guān)聯(lián)概述

然后，我們探索了微生物特征與241項(xiàng)測(cè)量指標(biāo)的關(guān)系，包括技術(shù)因素、人體測(cè)量、早期和當(dāng)前暴露、飲食、自我報(bào)告的疾病和藥物使用、醫(yī)學(xué)測(cè)量和社會(huì)經(jīng)濟(jì)(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5)。這些表型解釋了12.9%的微生物組分類(lèi)組成和16.3%的微生物組功能，其中最大的貢獻(xiàn)來(lái)自技術(shù)因素、糞便特征、疾病、藥物使用和人體測(cè)量(圖3b，補(bǔ)充表4a-c)。

校正技術(shù)因素后，我們觀察到4530個(gè)表型與分類(lèi)群相關(guān)，5224個(gè)表型與通路相關(guān)，1848個(gè)表型與抗生素耐藥基因相關(guān)，385個(gè)表型與毒力因子相關(guān)(補(bǔ)充表3g，擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖5)。單獨(dú)而言，與關(guān)鍵類(lèi)群和核心類(lèi)群(Flavonifractor salivarius、F. prausnitzii、Alistipes senegalensis、Clostridium和Subdogranulum物種)的關(guān)聯(lián)數(shù)量最大(補(bǔ)充表3b, h)。A. senegalensi以前與克羅恩病和乙型肝炎病毒相關(guān)的急性慢性肝功能衰竭有關(guān)。在本研究隊(duì)列中，A. senegalensi與43個(gè)表型相關(guān)(FDR < 0.05)，突出了其在多種疾病中的潛在作用。同樣，與2型糖尿病(T2D)、高血壓和強(qiáng)直性脊柱炎相關(guān)的Clostridium asparagiforme與另外23種不相關(guān)的疾病有關(guān)(FDR < 0.05)。下面討論了進(jìn)一步的關(guān)聯(lián)，補(bǔ)充表3a-h提供了完整概述。

在β-多樣性的個(gè)體間變異分析中，年齡、性別和BMI是最主要的表型，分別解釋了0.6%、0.53%和0.32%的個(gè)體變異。Bristol糞便量表解釋了最大比例的β多樣性(R2 =0.77%，F(xiàn)DR=0.012)，采樣季節(jié)也解釋了很大比例的變異(R2 =0.36%，F(xiàn)DR=0.012，補(bǔ)充表4a)，它們共同強(qiáng)調(diào)了在微生物組研究中評(píng)估糞便稠度和收集時(shí)間框架效應(yīng)的重要性。在這些結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們將年齡、性別、BMI、Bristol糞便量表和采樣季節(jié)的校正與技術(shù)因素的校正一起納入我們的關(guān)聯(lián)模型(補(bǔ)充表3a-e)。

圖3 微生物-表型關(guān)聯(lián)。a，與健康微生物組特征相比，飲食、童年和當(dāng)前暴露以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的微生物-表型關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)數(shù)量最多的前40個(gè)微生物物種通過(guò)關(guān)聯(lián)Z分?jǐn)?shù)使用層次聚類(lèi)法進(jìn)行聚類(lèi)，并按效應(yīng)方向著色(藍(lán)色,正；橙色,負(fù))，在整個(gè)研究范圍內(nèi)FDR <0.05，正相關(guān)為加號(hào)，負(fù)相關(guān)為減號(hào)。沒(méi)有標(biāo)記的顏色關(guān)聯(lián)表示名義上顯著的關(guān)聯(lián)(P < 0.05)。b，在多變量PERMANOVA分析中，表型組解釋了微生物組組成和功能的差異。NDVI，標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)；PWY，通路。

6 健康和不健康微生物的定義

為了定義健康和疾病的微生物組特征，我們將微生物組特征與自我報(bào)告的健康和至少20例的81種疾病相關(guān)聯(lián)(補(bǔ)充表2d)。確定了1206個(gè)與細(xì)菌分類(lèi)群的顯著關(guān)聯(lián)，1182個(gè)與微生物通路的關(guān)聯(lián)，390個(gè)與抗生素耐藥基因的關(guān)聯(lián)，76個(gè)與細(xì)菌毒力因子的關(guān)聯(lián)(FDR＜0.05，補(bǔ)充表3b-f)。不同疾病有不同數(shù)量的關(guān)聯(lián)，在心血管和代謝疾病(如非酒精性脂肪肝和T2D)以及胃腸道疾病(包括炎癥性腸病和腸易激綜合征)中觀察到最強(qiáng)的特征(補(bǔ)充表3f)。在大多數(shù)疾病中觀察到一致的微生物組-疾病模式(圖4a)，這使我們能夠查明不相關(guān)疾病之間共享的微生物組特征以及定義健康(即無(wú)疾病)微生物組的特征。

疾病的共同微生物組特征主要包括厭氧菌屬(Anaerotruncus)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、擬桿菌屬(Bacteroides)、Holdemania、黃桿菌屬(Flavonifractor)、Eggerthella和梭菌屬(Clostridium)物種增加以及糞桿菌屬(Faecalibacterium)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、Subdoligranulum、草酸桿菌屬(Oxalobacter)、真桿菌屬(Eubacterium)和羅斯氏菌屬(Roseburia)減少。不相關(guān)疾病共有的腸道微生物組通路主要包括L-鳥(niǎo)氨酸、泛醇和甲基萘醌、腸桿菌共同抗原、Kdo-2-lipid-A和鉬輔因子的生物合成增加，以及氨基酸、脫氧核糖核苷和核苷酸的生物合成、厭氧能量代謝和發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸(主要是丁酸)減少。某些疾病的毒力因子增加，包括T2D和胃腸道疾病，其中細(xì)菌粘附和鐵攝取因子(VF036、VF0228、VF0236、VF0404和VF0394)的影響最大。通過(guò)構(gòu)建L1/L2正則化回歸模型對(duì)36種最常見(jiàn)疾病的預(yù)測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了這些特征，并發(fā)現(xiàn)與關(guān)聯(lián)分析具有高度一致性，模型選擇的31個(gè)物種中有22個(gè)與超過(guò)5種疾病相關(guān)(補(bǔ)充討論)。盡管本研究隊(duì)列中的疾病合并癥較低，但預(yù)測(cè)特征顯示出高相關(guān)性(圖4b，補(bǔ)充表6e)。

最后，我們計(jì)算了最近開(kāi)發(fā)的腸道微生物組健康指數(shù)(GMHI)，發(fā)現(xiàn)健康個(gè)體和疾病個(gè)體之間存在顯著差異(P=6.16×10-22；擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6)。我們的健康微生物組特征在屬或種水平上復(fù)制了50個(gè)GMHI特征中的43個(gè)(補(bǔ)充表10)。此外，我們確定了GMHI研究中未發(fā)現(xiàn)的55種微生物組-健康關(guān)聯(lián)，包括來(lái)自丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、阿克曼氏菌(Akkermansia)和普雷沃菌屬(Prevotella)的物種(補(bǔ)充表3b, 10)，這些物種此前與胃腸道疾病有關(guān)，但與其他疾病無(wú)關(guān)。

圖4 健康和疾病的微生物組特征。a ，與疾病類(lèi)別和健康狀況相關(guān)的微生物物種的熱圖。疾病按疾病類(lèi)型分類(lèi)和標(biāo)記。關(guān)聯(lián)數(shù)量最多的前40個(gè)微生物物種通過(guò)關(guān)聯(lián) Z 分?jǐn)?shù)(由顏色強(qiáng)度表示)使用層次聚類(lèi)法進(jìn)行聚類(lèi)。關(guān)聯(lián)按效應(yīng)方向著色(藍(lán)色，正；橙色，負(fù))，在整個(gè)研究范圍內(nèi)FDR < 0.05時(shí)關(guān)聯(lián)顯著，正相關(guān)和負(fù)相關(guān)分別用加號(hào)和減號(hào)標(biāo)記。沒(méi)有標(biāo)記的彩色關(guān)聯(lián)表示名義上顯著的關(guān)聯(lián)( P  < 0.05，未通過(guò)多重檢驗(yàn)校正)。 b ，隊(duì)列中預(yù)測(cè)疾病的特征(左下三角)與這些疾病的合并癥(右上三角)之間的Pearson相關(guān)性比較。CD，克羅恩??；COPD，慢性阻塞性肺?。籌BD，炎癥性腸??；IBS，腸易激綜合征；RSI，重復(fù)性勞損；UC，潰瘍性結(jié)腸炎。

7 微生物組反映疾病和治療

我們觀察到，常見(jiàn)非傳染性疾病的微生物組效應(yīng)與用于治療這些疾病的藥物具有高度一致性(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7，補(bǔ)充表3a-g)。在這些藥物中，我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子泵抑制劑(PPIs)、抗生素、雙胍類(lèi)抗糖尿病藥、滲透性瀉藥和腸道抗炎藥的作用最強(qiáng)(分別與微生物類(lèi)群有84、56、47和32個(gè)關(guān)聯(lián)，F(xiàn)DR<0.05)。為了闡明疾病和藥物的影響，我們對(duì)三種常見(jiàn)疾病及其相應(yīng)的常見(jiàn)藥物進(jìn)行了多變量線性回歸分析：T2D中使用的抗糖尿病藥物、抑郁癥中使用的選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑(SSRIs)以及功能性胃腸道疾病和IBS中使用的PPIs。我們觀察到，疾病和相應(yīng)藥物的作用與微生物組具有高度一致性，即使在相互制約的情況下也是如此(補(bǔ)充表7)，這表明不健康的腸道微生物組特征反映了疾病和相關(guān)藥物。

8 兒童期與成年期微生物組有關(guān)

由于生命最初的2-3年對(duì)微生物群的發(fā)育至關(guān)重要，我們研究了生命早期(小于4歲)因素對(duì)成人微生物群的影響。我們確定了106個(gè)與分類(lèi)群的關(guān)聯(lián)，30個(gè)與通路的關(guān)聯(lián)，22個(gè)與抗生素耐藥基因的關(guān)聯(lián)，2個(gè)與毒性因子的關(guān)聯(lián)(FDR<0.05)，僅觀察到對(duì)分娩方式、母乳喂養(yǎng)和早產(chǎn)的影響很小(圖3b，擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8)。盡管兒童和成人城市化之間的相關(guān)性非常低(Spearman r<0.015)，但童年生活環(huán)境與成人微生物組顯著相關(guān)(FDR<0.05時(shí)，分別有54、8和7個(gè)分別與分類(lèi)群、通路和CARD相關(guān))。

農(nóng)村童年環(huán)境與各種細(xì)菌的增加有關(guān)，包括P. copri、F. prausnitzii、Rothia mucilaginosa以及來(lái)自雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和Mitsuokella的物種，它們的豐度也與總體健康狀況的增加有關(guān)。相比之下，在城市童年環(huán)境的參與者中，擬桿菌屬、Alistipes和Biophila的多個(gè)物種的豐度降低。

父母吸煙與其子女的微生物組相關(guān)(FDR<0.05時(shí)，分別有15、9和4個(gè)與分類(lèi)群、通路和CARD相關(guān))。在本研究中，我們觀察到父母吸煙與韋榮氏菌屬(Veillonella)和Oscillibacter屬物種以及P. copri豐度降低之間的關(guān)聯(lián)(R2= 0.0012，F(xiàn)DR=0.033)，這與當(dāng)前吸煙者的觀察結(jié)果一致。最后，童年時(shí)期養(yǎng)寵物與成年后的微生物組有關(guān)(FDR<0.05時(shí)有7個(gè)關(guān)聯(lián))，如在童年養(yǎng)過(guò)寵物的參與者中觀察到Alistipes finegoldii、Lactobacillus delbrueckii、小類(lèi)桿菌屬(Dialister)和嗜膽菌屬(Bilophila)物種減少。

9 暴露體與腸道微生物組有關(guān)

研究了采樣時(shí)的環(huán)境因素，并確定了健康微生物組特征與寵物飼養(yǎng)、農(nóng)村生活環(huán)境和生活環(huán)境綠地表面積的共同關(guān)聯(lián)模式(圖3b)，包括P. copri、Bacteroides plebeius、Desulfovibrio piger和Mitsuokella屬物種增加，脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)和Bilophila wadsworthia減少。這些特征與增加的NO2和小顆粒物污染物測(cè)量值的微生物組關(guān)聯(lián)形成對(duì)比，后者與健康呈負(fù)相關(guān)(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9)。吸煙表型，包括當(dāng)前的主動(dòng)、被動(dòng)吸煙以及吸煙史，顯示出一致的微生物組關(guān)聯(lián)方向，這也與微生物組-疾病關(guān)聯(lián)的特征相匹配(擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9)。主動(dòng)吸煙與41個(gè)物種和84種通路有關(guān)(FDR<0.05，圖3b)，其中60%也與吸煙史有關(guān)，表明吸煙具有長(zhǎng)期影響。值得注意的是，其中15種也與被動(dòng)吸煙有關(guān)，這強(qiáng)調(diào)了在疾病風(fēng)險(xiǎn)模型中考慮被動(dòng)吸煙的必要性。

我們觀察到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素(如月收入和社區(qū)收入)與腸道微生物組之間的220個(gè)關(guān)聯(lián)(FDR<0.05)，其中72個(gè)為細(xì)菌豐度和月收入之間的關(guān)聯(lián)；較高的收入與健康的微生物組特征相關(guān)。收入與社區(qū)綠地面積、農(nóng)村生活環(huán)境和生命線飲食評(píng)分(LLDS)的相關(guān)性雖低但顯著(Spearman相關(guān)系數(shù)分別為0.22、0.17和0.07；相關(guān)檢驗(yàn)FDRs< 1.0×10-6)，這意味著微生物組-收入關(guān)聯(lián)可能反映了多種因素的組合，包括更健康的飲食和生活方式以及較少城市化的生活環(huán)境。這些結(jié)果支持腸道微生物組可能是整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)階層中眾所周知的健康差異的中介的假設(shè)。

本研究確定了20種飲食因素和82個(gè)物種之間的378種關(guān)聯(lián)(補(bǔ)充表3b)。在食物頻率問(wèn)卷(FFQ)收集和糞便采樣之間的5年期間，飲食也相對(duì)穩(wěn)定，代表主要飲食項(xiàng)目和飲食趨勢(shì)的30個(gè)FFQ項(xiàng)目在測(cè)量中保留超過(guò)95%，其余項(xiàng)目保留超過(guò)50%(補(bǔ)充表8，補(bǔ)充討論)。

LLDS是基于國(guó)際營(yíng)養(yǎng)文獻(xiàn)的飲食評(píng)分，顯示出最多的關(guān)聯(lián)(79個(gè)與分類(lèi)群相關(guān)，44個(gè)與通路相關(guān)，20個(gè)與抗生素耐藥基因相關(guān)，8個(gè)與毒力因子相關(guān)，F(xiàn)DR<0.05)，其次是總酒精攝入量、血糖負(fù)荷、蛋白質(zhì)飲食評(píng)分(反映蛋白質(zhì)的數(shù)量和來(lái)源)和總碳水化合物攝入量。LLDS和蛋白質(zhì)攝入評(píng)分顯示出與一般健康狀況增加的微生物組特征重疊的關(guān)聯(lián)模式，例如梭菌屬(Clostridia)物種減少，丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)和羅氏菌屬(Roseburia)以及參與泛醇和甲基萘醌合成的通路增加。相比之下，總膳食碳水化合物攝入量和血糖負(fù)荷顯示出相反的關(guān)聯(lián)(圖3b，擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10)。

討論

除了確認(rèn)已知的微生物組與年齡、性別和BMI的關(guān)系外，我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了經(jīng)常被忽略的與糞便樣本(糞便稠度)、采樣季節(jié)和樣本處理(DNA濃度或測(cè)序批次)相關(guān)的混淆因素的重要性。這在研究年齡、性別、BMI和糞便稠度與疾病相關(guān)的疾病或探索具有季節(jié)性變化的表型(如飲食、身體活動(dòng)和過(guò)敏、流感、普通感冒等疾病)時(shí)尤為重要。

我們觀察到微生物組主要與同居和環(huán)境有關(guān)，而非遺傳相關(guān)性，這證實(shí)了之前的研究，即確定有限的整體微生物組遺傳力、同居家庭成員及其寵物之間共有的微生物組模式以及停止同居的雙胞胎的微生物差異。這些結(jié)果表明，遺傳力較低的細(xì)菌(如Ruminococcus、Streptococcus和Veillonella)可能比遺傳力更強(qiáng)的細(xì)菌(如Akkermansia、Collinsella和Bacteroides)更容易受到微生物群落改變的影響。

通過(guò)比較微生物組、健康和多種疾病之間的關(guān)聯(lián)，我們發(fā)現(xiàn)了腸道生態(tài)失調(diào)的共同特征(圖4a)，這與之前的研究基本一致。共有的生態(tài)失調(diào)的存在對(duì)微生物組研究和微生物群靶向診斷和治療具有重要意義。正如我們的預(yù)測(cè)模型和以前的研究所支持的那樣，共有的生態(tài)失調(diào)意味著腸道微生物群是一般健康的生物標(biāo)志物，但也使基于微生物群的個(gè)別疾病診斷復(fù)雜化。由于單一疾病模型可能會(huì)被不相關(guān)疾病之間共有的特征所混淆，因此在混合疾病隊(duì)列中測(cè)試這些模型的特異性將是臨床實(shí)施前的重要一步。共同的微生物組特征還表明，微生物組靶向干預(yù)措施可以改善人類(lèi)整體健康。我們的觀察結(jié)果支持了這一點(diǎn)，即通常認(rèn)為健康的生活方式因素(例如堅(jiān)持當(dāng)前的飲食建議和不吸煙)與一般健康相關(guān)的微生物組模式相關(guān)。盡管微生物組-藥物相互作用已經(jīng)在體外得到了很好的描述，并且已經(jīng)在體內(nèi)對(duì)抗生素、PPIs和抗糖尿病藥進(jìn)行了表征，但我們的結(jié)果表明，一般微生物群失調(diào)是藥物和疾病效應(yīng)共同作用的結(jié)果，這意味著許多目前研究不足的藥物(如SSRIs)可能會(huì)對(duì)腸道微生物組產(chǎn)生負(fù)面影響。

未報(bào)告疾病或藥物使用的人群參與者中存在疾病樣微生物組特征，表明人群中存在臨床前隱性疾病，并表明腸道菌群失調(diào)可能先于慢性疾病(如T2D)的臨床發(fā)作。雖然這一假設(shè)需要對(duì)長(zhǎng)期縱向隊(duì)列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或分析，但我們的觀察結(jié)果表明，腸道微生物群可用于監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期健康狀況并檢測(cè)臨床前階段的疾病。

將健康和不健康的微生物組模式與童年和當(dāng)前暴露、飲食和社會(huì)經(jīng)濟(jì)聯(lián)系起來(lái)，觀察到更健康的飲食、童年和當(dāng)前對(duì)農(nóng)村環(huán)境和寵物的接觸、接觸綠地以及更高的收入與健康的微生物組模式共享特征。這些觀察結(jié)果支持微生物群落多樣性假說(shuō)(也稱(chēng)為衛(wèi)生假說(shuō))，該假說(shuō)認(rèn)為，減少微生物暴露有助于增加自身免疫和過(guò)敏性疾病的頻率。值得注意的是，盡管經(jīng)典的衛(wèi)生假說(shuō)側(cè)重于病原菌和生命早期的暴露，但我們的結(jié)果表明，成人暴露也會(huì)導(dǎo)致健康或不健康的微生物組模式，并且環(huán)境塑造了整個(gè)生命周期中的微生物組，這意味著微生物群靶向療法可能在個(gè)體的整個(gè)生命周期都是有效的。此外，我們發(fā)現(xiàn)飲食評(píng)分、寵物和農(nóng)村環(huán)境與條件性病原菌(如梭菌屬)呈負(fù)相關(guān)，而與共生病(如擬桿菌屬、Alistipes和糞桿菌屬的產(chǎn)丁酸菌)呈正相關(guān)，這意味著暴露于環(huán)境中的病原菌和共生菌對(duì)建立健康的腸道生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用。

本研究還觀察到吸煙、高碳水化合物飲食以及暴露于NO2和小顆粒物(PM2.5)和與疾病相關(guān)的梭菌屬和瘤胃球菌屬物種呈正相關(guān)。盡管空氣污染物與腸易激綜合征(IBS)等胃腸道疾病有關(guān)，并已被證明會(huì)影響小鼠的腸道微生物群，但它們對(duì)人類(lèi)腸道微生物群的影響在很大程度上仍未被探索。我們的研究結(jié)果與之前對(duì)美國(guó)隊(duì)列中空氣污染關(guān)聯(lián)的分析一致，表明空氣污染物對(duì)人類(lèi)腸道微生物群產(chǎn)生負(fù)面影響，并可能通過(guò)導(dǎo)致一般的生態(tài)失調(diào)而增加胃腸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)。我們的觀察結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這一點(diǎn)，即IBS與PM2.5污染物相關(guān)(Spearman r = 0.15)，而污染物與其他疾病、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和飲食之間的相關(guān)性非常低(Spearman r ＜0.05)(補(bǔ)充表2c)。

本研究發(fā)現(xiàn)，兒童時(shí)期接觸吸煙、寵物和農(nóng)村環(huán)境與成人微生物組有關(guān)。盡管這些關(guān)聯(lián)的影響大小低于當(dāng)前暴露，但影響方向和模式是一致的，這表明環(huán)境暴露可以產(chǎn)生長(zhǎng)期影響，而且微生物組反映了個(gè)體的暴露史。我們的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步支持了這一點(diǎn)，即曾吸煙者仍然顯示出與當(dāng)前吸煙者相似的微生物組關(guān)聯(lián)，盡管影響較小。

測(cè)量了241種廣泛的表型，但我們只能解釋大約15%的微生物組組成和功能的個(gè)體間變異，這與之前的大規(guī)模研究一致。這意味著腸道微生物組是高度個(gè)體化的，包含可能難以從數(shù)據(jù)中的人工制品中分離出來(lái)的稀有類(lèi)群，而且我們目前對(duì)塑造腸道微生物組的因素的理解仍然有限。這種低解釋力也可能反映了以數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的微生物組分類(lèi)的使用，這種分類(lèi)在促進(jìn)研究標(biāo)準(zhǔn)化和低假陽(yáng)性率的同時(shí)，排除了對(duì)未分類(lèi)微生物的識(shí)別。未來(lái)可能通過(guò)基于組裝和獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫(kù)的方法和縱向研究來(lái)量化“缺失變異”，這將在微生物組靶向診斷和治療的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

結(jié)論

本研究生成并分析了一個(gè)大型的、多代的腸道微生物組隊(duì)列，并將其與廣泛的表型數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。我們定義并描述了多種疾病共有的腸道生態(tài)失調(diào)，并確定了這種生態(tài)失調(diào)與遺傳力、童年和當(dāng)前暴露、生活方式和社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的聯(lián)系。本研究展示了大規(guī)模、表型良好的隊(duì)列在剖析腸道微生物組、健康、遺傳和環(huán)境之間的聯(lián)系方面的力量，并為未來(lái)微生物組干預(yù)的研究提供了豐富的資源。

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