特别报道Nature丨人类微生物组计划之“微生物与炎症性肠病”

来源：BioArt

2019年5月30日，来自麻省理工学院-哈佛大学博德研究所的Curtis Huttenhower教授领导的团队在Nature杂志发表题为Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases的文章，该研究作为整合人类微生物组计划（IntegrativeHuman Microbiome Project）的一部分，在先前报道的宏基因组分析的基础上，利用多组学联合分析手段，系统地解析了与IBD发生相关的肠道微生物变化，为临床治疗提供了方向。

研究者从5个学术医疗中心共招募了132位受试者，根据初始内镜和组织病理检测结果，将未诊断为IBD的个体作为对照，分析了活体组织切片、血液和粪便样本。其中粪便样品侧重用于微生物分析：包括宏基因组（MGX）、宏转录组（MTX）、蛋白质组（MPX）、代谢组（MPX）和病毒组（VX）；活组织切片用于宿主和微生物靶向人类RNA测序（RNA-seq HTX）、还原表征亚硫酸氢盐测序（RRBS）和16S rRNA基因扩增子测序（16S）；血液样品则用于人类外显子组测序、血清学研究以及RRBS分析。

与先前研究一致，个体间差异是在所有检测类型中出现差异的主要原因【3】。尽管诸如疾病状态或生理和技术因素对分析结果有相对较大的影响，但该结果仍能解释一部分差异产生的原因。通过上述检测，作者获得了受试者之间与内部横向和纵向的相关性变化。其中，MGX、MTX和MPX检测发现功能谱是最为紧密相关的，一些个体特征相关性则较弱，特征性酶类与其已知的底物或产物只有弱相关性。通过问卷调查获得饮食特征数据，显示了饮食-微生物组相关性的纵向初始特征，即饮食差异只占受试者之间分类学和纵向差异的小部分，仍具有重要意义。

IBD患者与未患病个体，其简单横向差异在代谢组中最为明显。总体上，IBD患者个体的代谢产物库多样性较低，与微生物多样性变化趋势较为一致，这可能是IBD患者营养吸收不良，肠内水分和血液含量较高，以及较短的肠内运输时间导致的。值得注意的是，烟酸盐的代谢物烟酸仅在IBD患者粪便中检测到。两种衡量疾病严重程度的指标，粪便钙保护素和Harvey–Bradshaw指数（HBI）在CD中无显著相关，而Simple Clinical Colitis Activity指数（SCCAI）与粪便钙保护素水平在UC中相关性较弱。

经多重假设检验校正后，IBD患者个体与对照个体的样本间无显著差异，作者推测这是由于受试者分化为两个亚群，一个是相对不活跃的IBD（由于缓解或近期发病)，另一个疾病活跃程度更高。作者因此将与非IBD对照样本分类组成显著不同的样本定义为生态失调（dysbiotic）样本。失调期的持续时间和间隔时间呈现指数型增长，表明在一定程度上这种变化是由时间上概率恒定的事件导致的。在此生态失调定义下，所有检测类型与整体IBD表型相比，差异比例更大，反映了极端多样化的受试者群体中活跃和不活跃的疾病状态有着清晰的界限。代谢组分析显示，与非失调样本相比，失调样本中SCFAs普遍减少，且CD患者的甘氨鹅脱氧胆酸，初级胆酸盐及其甘氨酸和牛磺酸偶联物出现富集。与之相比，次级胆汁酸结石和脱氧胆酸盐在失调样本中下调，表明次级胆汁酸产生菌减少，或者这些菌通过结肠的时间太短，导致这些化合物无法代谢。研究者还发现生态失调中一些未被描述过的生化差异，如许多酰基肉碱的显著富集，碱性代谢物的水平降低。

进一步分析测序数据并整合微生物组多种检测数据后，作者发现每个受试者的微生物组的差异性要显著于宏基因组、宏转录组和代谢组，这些差异在CD和UC个体间更加明显。为了进一步鉴定时间维度上的微生物组差异，作者在连续时间点间分析了微生物的“移位”情况，发现CD和UC患者的微生物移位率要高于非IBD患者，且非IBD患者的微生物移位主要发生在普氏菌（Prevotellacopri）丰度高的个体，而IBD患者菌群移位状态反映了早期观察到的专性厌氧菌相对减少和兼性厌氧菌的过度生长，并往往与菌群进出失调有关。作者用同样方法分析了代谢组的移位情况，发现代谢组移位率几乎是宏基因组的一半，同一受试者相邻样本间代谢谱出现了由未知代谢组分导致的显著差异，而这些差异会诱导尿胆素、尿酸及其他代谢物的产生，最终导致UC特异性差异。在已知的化合物中，甲咪唑、乙酸和尿酸是代谢组移位的主要影响因素。

作者进一步将宿主分子检测指标，主要是结肠肠道活检，整合进对IBD患者微生物群落的分析中，发现对群体变化的主要影响与仅影响肠道微生物群落显著不同。作者检测了回肠（来自于CD患者）和直肠（来自于CD和UC患者）发炎部位与非IBD患者相应部位的差异基因组成，分别鉴定到305个和920个差异基因。这些差异基因包括可以直接影响共生微生物的基因，如CXCL6、SAA2、DUOX2和LCN2等，并且这些基因能显著富集到免疫相关通路中，尤其是IL-17信号通路。

为确定微生物组中与这些变化最为相关的组分，作者利用16s扩增子测序手段检测了与微生物相对丰度变化一致的转录本，结果在回肠和直肠中分别鉴定到31个和106个不同的OTU（operational taxonomic unit），这与整体的基因表达模式相一致。所涉及的基因包括已知的IBD相关的宿主-微生物互作因子，包括DUOX2和DUOXA2，两个基因均与回肠中瘤胃菌科UCG005（OTU89）呈非相关。一些与抗菌性相关的趋化因子，如CXCL6和CCL20，与回肠和直肠中的OTUs相对丰度呈负相关，表明这些OTUs对趋化因子活性较为敏感。

综上所述，本研究结果为IBD活跃期间肠道微生物的功能失调提供了一个全面的视角。研究者证明了兼性厌氧菌以牺牲专性厌氧菌为代价的典型增加，以及微生物转录、代谢产物池和宿主血清抗体水平的分子紊乱。疾病活跃期也以时间变异性的增加为特征，具有特征性的分类、功能和生化变化。最后，作者综合分析了导致这种失调的微生物、生化和宿主因素。

本研究提供了迄今为止IBD中宿主和微生物活动最为全面的论述，未来研究中可以将这些分析结果应用于临床，发现新的生物标志物以更准确的预测IBD产生和发展，以及找到新的宿主-微生物相互作用靶点，为缓解或治疗IBD提供突破口。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1237-9

参考文献

1. Kaplan, G. G. The global burden of IBD: from 2015to 2025. Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 12, 720–727 (2015).

2. Huang, H. et al. Fine-mapping infammatory boweldisease loci to single-variant resolution. Nature 547, 173–178 (2017).

3.  Morgan, X. C. et al. Dysfunction of the intestinalmicrobiome in infammatory bowel disease and treatment. Genome Biol. 13, R79(2012).

4. Ananthakrishnan, A. N. Environmental risk factorsfor infammatory bowel diseases: a review. Dig. Dis. Sci. 60, 290–298 (2015).

5. Knights, D. et al. Complex host genetics infuencethe microbiome in infammatory bowel disease. Genome Med. 6, 107(2014).