傅静远等Nature突破:环境因素如何塑造肠道菌群(作者专访+专家点评) | 热心肠日报
今天是第2143期日报。
今天日报的头条,我们特别报道荷兰格罗宁根大学傅静远教授团队与合作者,在国际著名学术期刊Nature发表的题为Environmental factors shaping the gut microbiome in a Dutch population的最新研究,通过对荷兰8000余人的大型队列进行详尽的分析,系统性地揭示了暴露组和遗传力与肠道菌群的关联和对菌群的影响。我们特别附上对该研究共同通讯作者傅静远教授的专访,以飨读者。
傅静远等Nature:人类肠道微生物组、暴露组与遗传力
Nature[IF:49.962]
① 纳入来自3代人、2756个家庭的8208名荷兰人,分析其肠道微生物组成、功能、抗生素耐药性和毒力因子等数据;② 鉴别出1253个微生物分类单元、564条代谢通路,约600个菌种、9个核心菌种以及基石特征(28个菌种、53条通路),发现Prevotella copri主导微生物组分型;③ 分析241个宿主表型与微生物组间关系,揭示了菌群与饮食、童年生活环境、社会经济地位等暴露组参数间7519个显著关联;④ 发现同居是影响菌群的主要因素,只有6.6%的菌群如Akk菌可遗传;⑤ 不同疾病具有共同微生物组特征且与共存病无关,不健康肠道菌群同时反映疾病和用药情况。
Environmental factors shaping the gut microbiome in a Dutch population
04-13, doi: 10.1038/s41586-022-04567-7
【主编评语】微生物组与肠道紊乱、代谢综合征和多种免疫疾病密切相关,越来越成为人们的共识。但是回到肠道研究的最初,究竟什么是健康的或不健康的肠道微生物组这一问题仍未被很好的回答。特别是关于人类菌群的研究,基于明确表型的大型、深入、标准化队列研究及综合分析仍是稀缺项。Nature刚刚上线来自荷兰格罗宁根大学傅静远等主导的基于荷兰微生物组项目(DMP)的研究,对荷兰人群肠道微生物组进行了全面的分析和概述,解析了遗传力与暴露组(Exposome)对菌群的影响,旨在促进微生物组靶向治疗的发展。这是继2021年,傅静远团队与合作者在Cell发表关于“人体肠道菌群的长期遗传稳定性和个体特异性”后(查看详情),在微生物组研究上的又一重大突破。(@solo)
傅静远
傅静远,博士,现任荷兰格罗宁根大学医学中心系统医学教授,研究领域包括宿主和肠道菌群在代谢及免疫的相互作用,以及对人体健康的影响。研究项目涉及大数据群体水平研究,例如荷兰LifeLines 项目,跟踪分析近17万个体30年,分析遗传、饮食、环境、肠道菌群及社会经济因素对疾病和性状的影响,以达到个体化、精准化医疗。
问
祝贺傅老师团队与合作者在Nature发表重要成果!自从人类微生物组计划(HMP)发起以来,人类肠道微生物组研究取得了多项令人瞩目的成果。请问您觉得这项研究中最大的亮点和发现是什么?
答
人类肠道微生物组队列研究近些年已经开展了不少。这项研究与以往队列研究相比,其亮点不仅仅在于队列的大小,年龄的跨度从儿童到老年,以家庭为单位的收集,更在于数据的全面,尤其是我们不光收集了现在的健康与环境的数据,还收集了早期的环境暴露组学数据, 我们可以追溯早期环境因子对后期菌群的影响。
问
这项研究揭示了微生物组与表型/暴露组间的7000多种显著关联。其中有哪些是您觉得比较有意思或有意义的,可以给我们举例么?另外我们注意到,在本研究鉴别的9个核心菌种中,3个都是Alistipes sp.,这个菌种好像在以前的肠道微生态分析中出现得不多,您可以给我们讲解一下么?
答
文章中我们也对一些有趣的关联进行了讨论。比如同居在一起的家人其菌落相似度比较高,分居(比如说孩子长大离开家以后的年限)时间越长,相似度越低。另外,我们发现不同疾病中的菌群变化有很高的相似性,其菌群变化的相似性远高于疾症的共病率。这个支持了菌群具有多效性的观点。环境及早期暴露组学与菌群的一些关联也非常有意义,包括环境中NO2和其它污染物的作用。环境污染对人体健康的影响是深远的,这一影响也体现在我们的体内菌群中,同时也为人体和菌群对环境适应作出的协同进化提供了进一步研究的依据。
Alistipes sp.的确是一个有趣的发现。Alistipes不是丰度最高的属,平均大概在23%。而这三个Alistipes相关的核心菌群丰度大约在1%-3%左右。这些年对Alistipes的研究日益增长,其与免疫、癌症、精神健康、器官移植的成功率等的相关性都有报道。我们的研究显示,这些菌种也与其它肠道菌种有很大的相关性,可能起到一个核心作用。但是通过什么样的机制我们还不得而知。
问
这项研究指出同居是影响肠道菌群的关键驱动因素之一,那么单身宅的年轻人是不是微生物组会大不同?养宠物算不算是同居的一种?
答
同居与非同居、亲属和非亲属的关系,主要是为了分解环境和遗传的作用。养宠物也是一种同居,我们也发现宠物会影响菌群。不光是成年期,童年期养宠物都会对我们的菌群有影响。
问
您的文章揭示了环境因素包括采样季节等会影响数据分析和肠道微生物组。DMP项目是在2015、2016年采集的样品,不知道您可否与我们讨论一下当下的COVID-19疫情因素会否影响一个时期的肠道微生物组数据及其和表型的关系?是否会有更深远的影响?
答
DMP的样品很幸运在COVID前就已经收集完成。这个队列其实是一个长期跟踪队列,我们争取每隔4-5年收集一次,所以其后期样品跟踪收集刚好赶上COVID疫情。初期,因为疫情控制比较严,另外不少研究显示SARS‑CoV‑2病毒可以在粪便中发现,为安全考虑,样品收集不得不暂停。后期疫情平缓,粪便的生物安全性也得以保障,因此我们的确收集了不少COVID期间的样品,但是分析还未开始。我个人觉得其影响肯定有,但影响有多大,得等分析以后才知道。疫情影响也分多方面,一方面是直接的影响,比如COVID感染或者疫苗通过我们的免疫造成的直接影响,另一方面是间接的影响,比如因为居家隔离,饮食、生活习惯、精神压力等对菌群也会产生很多影响。这个本身也会是一个很有意义的课题。
问
像您在文章中提到的,这项研究旨在促进菌群靶向治疗的发展。关于这一研究领域以及菌群靶向治疗,目前的研究进展到了什么阶段呢?大热,还是趋近成熟?请问您怎么看?
答
菌群的靶向研究还是一个大热门,也还远不成熟。目前一些通过饮食、益生菌(元)和菌群移植的方式都还不能确保其特异性和精准性。未来需要更精准的方式,比如现在纳米技术在菌群靶向治疗的应用中已经开始引起关注。另外,菌群靶向治疗不能忽略菌群整个生态的协调作用,即要考虑点也要关注面。
专家点评
专家点评
王军(中国科学院微生物研究所研究员)
人体肠道微生物组作为一个典型的复杂生态系统,受到人类宿主遗传、环境因素和暴露历史的多重影响,而这些影响会反映在微生物组的功能、组成和代谢产物的变化上,最终影响人类自身的代谢和免疫系统的功能,在疾病的发生发展中发挥重要作用。这种基线的研究非常重要,对于我们理解微生物组的决定性因素是非常必要,而且有价值的。但是考虑到人类本身肠道菌群的多样性和受到干扰因素的数量和复杂性,这样的基线的研究需要大量的样本,而欧洲在这个领域毫无疑问走在前列,尤其是以傅静远老师及其所代表的欧洲荷兰LifeLines队列研究。
在2016年,傅静远老师带领的荷兰格罗宁根团队(doi: 10.1126/science.aad3369),就与我当时所在的比利时鲁汶团队(doi: 10.1126/science.aad3503),共同发表了Science的封面特刊。在两项研究中,两个队列相互印证,分别在超过1000人的人群中发现了重要的环境因素、人口统计学因素以及生活习惯等对菌群所产生的影响。之后,LifeLines队列又在Nature Genetics连续发表了多篇研究,深入地阐述了人类基因对菌群所产生的决定性作用。我也很有幸在2016年的时候,在另一个德国队列的研究中和傅老师一同发表。
最近傅老师及其荷兰微生物组项目的团队,使用超过8000人的宏基因组数据,并且结合了大量的人类环境因素及暴露组因素,在一个更深的层次和更大的广度上,解释了宏基因组基线的决定因素,对于未来我们的微生物组研究具有重要的提示和标志意义。
(作者专访和专家点评内容结束,以下是日报的其他内容)
补充短链脂肪酸能改善人体血糖控制吗?
American Journal of Clinical Nutrition[IF:7.045]
① 纳入44项随机对照试验进行荟萃分析;② 5项研究涉及乙酸盐(均为急性干预),2项研究涉及丁酸盐(均为慢性干预),14项研究涉及丙酸盐(8项急性+6项慢性干预),31项研究涉及醋(25项急性+6项慢性干预),5项研究涉及混合短链脂肪酸;③ 急性醋干预可显著降低糖耐量受损者或2型糖尿病患者及健康人的餐后血糖;④ 乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐及混合短链脂肪酸(无论急性或慢性干预)对空腹血糖、空腹胰岛素、餐后血糖、餐后胰岛素均无显著影响。
The effect of short-chain fatty acids on glycemic control in humans: A systematic review and Meta-analysis
04-07, doi: 10.1093/ajcn/nqac085
【主编评语】American Journal of Clinical Nutrition上发表的一项荟萃分析,总结了44项随机对照试验的数据后发现,乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐及混合短链脂肪酸的急性或慢性干预对空腹血糖、空腹胰岛素、餐后血糖、餐后胰岛素均无显著影响,仅有急性醋干预可显著降低糖耐量受损者或2型糖尿病患者及健康人的餐后血糖。(@aluba)
肠道菌群调控胰腺生长和功能
Diabetes[IF:9.461]
① 小鼠分为普食组、高脂饮食(HFD)组和HFD加万古霉素或甲硝唑治疗组;② HFD导致胰腺腺细胞增生,胰腺重量增加40%,胰腺分泌功能改变,体现在GLP-1和肽YY水平降低,葡萄糖依赖性促胰岛素肽增加,肠道内32种宿主蛋白发生改变,胰酶变化最为显著;③ 抗生素可以有效逆转HFD导致的胰腺生长和功能的变化;④ 通过菌群移植可以重现上述HFD对胰腺的影响;⑤ 万古霉素治疗肥胖伴糖尿病前期患者可以显著提高其肠道淀粉酶和弹性蛋白酶水平。
Gut Microbiota Regulate Pancreatic Growth, Exocrine Function and Gut Hormones
02-25, doi: 10.2337/db21-0382
【主编评语】肠道菌群在调节机体物质能量代谢等各个方面都发挥着重要的作用。而胰腺是参与机体能量代谢最重要的器官之一,肠道菌群与胰腺发育和功能之间的关系上仍有待深入的探究。近期一篇发表在Diabetes上的研究论文,通过正常饮食、高脂饮食以及高脂饮食联合抗生素建立小鼠模型,探究了肠道共生菌与胰腺发育、功能和肠道激素水平之间的关系。结果显示,高脂饮食可以导致胰脏发育和功能的一系列的改变,这些改变依赖于肠道共生菌的存在。这些研究结果提示肠道菌群的改变可以导致胰腺生长、外分泌功能和肠道内分泌功能的变化,这可能是肥胖和糖尿病发生的原因之一。(@Zhonghua)
肠道菌群毒素抑制HIV患者免疫细胞恢复
Journal of Clinical Investigation[IF:14.808]
① HIV感染治疗后无免疫应答患者(INR)CD4 T细胞代谢组分析发现,其CD4 T细胞物质能量代谢通路严重受损;② INR的血浆中有高水平的对甲酚硫酸盐(PCS)和硫酸吲哚酚(IS),其浓度与INR体内高炎症水平呈正相关,与CD4 T细胞数量呈负相关;③ PCS和IS以剂量依赖的方式抑制线粒体蛋白表达水平,诱导CD4 T细胞凋亡,阻断CD4 T细胞增殖;④ INR的肠道菌群多样性降低,PCS合成菌群丰度增加,是导致INR血浆和记忆性CD4-T细胞中PCS浓度关键原因。
Gut-derived bacterial toxins impair memory CD4 T-cell mitochondrialfunction in HIV-1infection
03-22, doi: 10.1172/JCI149571
【主编评语】艾滋病患者经抗病毒治疗后,尽管可以有效降低病毒的复制和载量,但是有很多患者(INR)的CD4免疫细胞不能恢复到正常水平。因此,INR仍然面临着更高的合并症的发生和高的死亡率。导致INR CD4免疫细胞不能恢复的原因有很多,但是其中一个重要的发现是其记忆性CD4 T细胞的线粒体功能障碍,但其记忆性CD4 T细胞线粒体功能障碍的原因尚不清楚。近期一篇发表在Journal of Clinical Investigation上的研究工作,通过对三个独立中心的人群队列的CD4 T细胞的代谢研究发现,INR CD4 T细胞中含有较高水平的对甲酚硫酸盐(PCS)和硫酸吲哚基(IS)组分;体外实验显示这些组分在体外导致线粒体结构和功能障碍,抑制CD4 T细胞的增殖,而这些组分升高的原因可能是INR患者肠道中富集了产PCS和IS的菌群。这些研究成果为艾滋病临床治疗提供了重要的线索和科学依据。(@Zhonghua)
Nature子刊:食品添加剂黄原胶对肠道菌群有何影响
Nature Microbiology[IF:17.745]
① 工业化国家的人类肠道菌群中普遍存在利用黄原胶的能力,这依赖于瘤胃球菌科的一个未培养OUT(命名为R.UCG13);② 多组学和酶学结果表明,黄原胶会被R.UCG13中的内切酶GH5a切割降解成寡糖;③ 肠道拟杆菌虽不能直接利用黄原胶,但可利用瘤胃球菌产生的寡糖产物;④ 饲喂黄原胶可以促进瘤胃球菌UCG13以及肠道拟杆菌在小鼠肠道中的定植和扩张;⑤ 综上表明食物添加剂黄原胶可以影响人类肠道菌群。
Mechanistic insights into consumption of the food additive xanthan gum by the human gut microbiota
04-01, doi: 10.1038/s41564-022-01093-0
【主编评语】食品添加剂黄原胶是一种具有独特流变学特性的复杂多糖,在加工食品中被广泛用作稳定剂和增稠剂。目前尚不清楚黄原胶对人肠道菌群会有什么影响。Nature Microbiology近期发表的这项研究对这一问题进行了探索,发现人肠道中的一种瘤胃球菌可分解黄原胶,产生的寡糖可被另一种肠菌利用。参与消化黄原胶的细菌基因在工业化人群中广泛存在,但在原始部落人群中没有,也为黄原胶对人肠道菌群的影响提供了佐证。(@mildbreeze)
刘斐童+张斌等:婴儿粪便对人乳寡糖的体外发酵特性
Carbohydrate Polymers[IF:9.381]
① 检测到7份婴儿粪便中长双歧杆菌相对丰度大于30%,为优势菌;② 该7个粪便样品对6种人乳寡糖(岩藻糖基化/非岩藻糖基化中性HMOs和唾液酸化HMOs)体外发酵速率相似;③ 6种HMOs产乙酸水平相似,但唾液酸化HMOs产乳酸水平较低;④ HMOs、低聚半乳糖(GOS)发酵特性与低聚果糖(FOS)相似,但产生更多乙酸和乳酸;⑤ 6种HMOs和GOS均可增加长双歧杆菌丰度,而FOS增加肺炎克雷伯菌丰度;⑥ 6种HMOs和GOS对菌群结构的影响相似,且与初始菌群结构相关。
In vitro fermentation of human milk oligosaccharides by individual Bifidobacterium longum-dominant infant fecal inocula
03-08, doi: 10.1016/j.carbpol.2022.119322
【主编评语】人乳寡糖(HMOs)是一类结构多样的低聚合度糖,不能被胃肠道消化,但可以被肠道内定植的微生物所水解,产生小分子有机酸,为肠上皮细胞提供营养、维持肠粘膜屏障和抵御病原微生物的侵袭,同时降低结肠pH值,促进钙、镁、铁等矿物质吸收。HMOs可分为中性人乳寡糖(包含岩藻糖基的低聚糖)和酸性人乳寡糖(包含唾液酸及其硫酸盐结构的低聚糖)。至今已证明人乳中有200多种低聚糖。健合集团中国区研究与创新部刘斐童团队和华南理工大学张斌等人发表在Carbohydrate Polymers上的一项研究评估了具有相同优势物种的类似婴儿粪便菌群对HMOs的体外发酵结果,揭示了特定的长双歧杆菌优势婴儿肠道菌群对不同化学结构HMOs的发酵特性,并为HMOs在增强肠道健康的婴儿配方奶粉中的应用提供了支持。(@EADGBE)
补锌如何促进免疫重建?
Blood[IF:22.113]
① 缺锌饮食(ZD)饲喂的小鼠三周出现胸腺细胞减少表型,随着时间延长各类型T细胞均出现减少,增殖能力下降,T细胞成熟受到抑制;② ZD小鼠经放疗损伤后,免疫系统重建能力显著下降,补充锌可以改善免疫系统重构;③ 急性损伤后或造血干细胞移植后,胸腺储锌细胞外移位,通过GPR39刺激内皮细胞(ECs)表达BMP4,BMP4促进初始T细胞的增殖,从而促进胸腺修复和免疫重建;④ 激动剂激活ECs中的GPR39也可以达到胸腺修复的作用,而不需要胸腺储锌。
Activation of the Zinc-sensing receptor GPR39 promotes T cell reconstitution after hematopoietic cell transplant in mice
03-25, doi: 10.1182/blood.2021013950
【主编评语】治疗癌症进行的长期化疗和造血干细胞移植等治疗手段均会导致患者免疫细胞的显著减少,这一情况显著增加了患者受感染和疾病恶性复发的风险。因此,如何能有效实现T细胞免疫系统重构具有重要的临床意义。T细胞免疫系统的修复主要依赖于胸腺组织的功能,尽管胸腺组织有较强的自我修复能力,但随着年龄的增长其再生能力也会慢慢减弱。目前临床尚没有可以用于治疗淋巴细胞减少症的有效的方法。此外,长期研究显示,锌(Zn)缺乏会导致广泛的免疫缺陷,包括胸腺退化,但是Zn作用于胸腺功能的机制尚不清楚。近期一篇发表在Blood的研究论文发现,Zn对正常T细胞的发育和急性损伤后修复有至关重要的作用,急性损伤后,胸腺积累的Zn会释放至细胞外环境,刺激内皮细胞分泌BMP4,从而触发胸腺再生。使用激动剂激活内皮细胞Zn感应蛋白GPR39,可以增强胸腺功能。这些研究成果揭示了胸腺再生的重要途径,且为临床治疗淋巴细胞减少症提供了重要的线索。(@Zhonghua)
粪肠球菌胞内生长,很常见?!
Gut Microbes[IF:10.245]
① 采用不同人肝脏细胞系、小鼠原代肝脏细胞和小鼠体内模型研究,首次发现粪肠球菌OG1RF株能够在肝细胞内存活增殖,阿莫西林可以降低胞内菌水平;② 当胞内超过4个球菌,形成“簇”,随着感染过程“簇”大小增加;③ 小鼠肝内可见粪肠球菌簇,诱导先天免疫反应:巨噬、中性粒细胞及炎症因子先增加,24h后均下降,可能促进其传播;④ 粪肠球菌胞内生长亦可出现在肾细胞内,呈菌株及细胞类型特异性,需要更多的研究明确这种新的胞内生长方式。
The unforeseen intracellular lifestyle of in hepatocytes
04-03, doi: 10.1080/19490976.2022.2058851
【主编评语】粪肠球菌是一种存在于人体肠道中的次优势共生菌,在特定的条件会致病,是少数明确导致酒精性脂肪肝病肝损伤的细菌。Gut Microbes最新发表的文章,首次阐述粪肠球菌OG1RF株可以在哺乳动物肝细胞胞内生存繁衍。(@solo)
诸奇赟+黄适:一种不依赖分类学的宏基因组分析方法
mSystems[IF:6.496]
① 操作基因组单位(OGU)是一种宏基因组分析策略,将序列比对到的单个参考基因组作为评估微生物群落多样性的最小单位;② OGU法不依赖于分类学,使用系统发育树将单个基因组构造成层次结构进行宏基因组群落生态学分析(类似16S数据中的UniFrac方法);③ OGU法从微生物组数据分析中产生了比分类法更具生物学意义的模式,且不受测序深度低的影响;④ OGU法可更有效识别微生物组在宿主性别上的差异,也提高了从肠道菌群预测宿主年龄的能力。
Phylogeny-Aware Analysis of Metagenome Community Ecology Based on Matched Reference Genomes while Bypassing Taxonomy
04-04, doi: 10.1128/msystems.00167-22
【主编评语】与16S rRNA基因扩增子测序相比,宏基因组学是一种强大的但在计算上具有挑战性的技术,可用于解析微生物群落组成和结构。目前,对于宏基因组数据的分析主要基于分类学,但在特征解析方面存在一定的局限性。亚利桑那州立大学的诸奇赟和香港大学的黄适作为共同第一作者,与加州大学圣地亚哥分校的Rob Knight团队合作在mSystems上发表文章,开发了一种新的宏基因组分析策略—操作基因组单位(OGU),OGU法不依赖于分类学,直接利用序列比对鉴定到的单个参考基因组作为评估微生物群落多样性的最小单位。Woltka(https://github.com/qiyunzhu/woltka)是实现该方法的生物信息学工具,已集成在QIIME2软件包和Qiita平台中,未来,将促进宏基因组学研究中广泛采用OGU方法。(@九卿臣)
感谢本期日报的创作者:solo,aluba,danny,海盗船长,圆圈儿,orchid,WK红叶,九卿臣
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