最新的研究表明,肠道微生物组与包括痛风在内的关节炎疾病之间存在关联。
编译:微科盟艾奥里亚,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。
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论文ID
原名:Metagenomic analysis revealed the potential role of gut microbiome in gout
译名:宏基因组分析揭示了肠道微生物群在痛风中的潜在作用
期刊:npj Biofilms and Microbiomes
IF:7.290
发表时间:2021.8.9
通讯作者:黄清春&黄闰月&王璋
通讯作者单位:广州中医药大学附属第二医院;华南师范大学生命科学学院生态科学研究所
实验设计
结果与讨论
图1 痛风患者肠道微生物的改变。a基于Chao2估计的健康对照人群(n = 63)和痛风患者(n = 77)基因计数的稀疏曲线;b健康对照组人群和痛风患者基因计数的箱线图;c-d分别表示在基因水平上的α多样性(Shannon指数)和β多样性(Bray-Curtis距离)的箱线图;e基于基因相对丰度谱的主成分分析(PCA),图中的椭圆代表95%的置信区间;f拟杆菌门/厚壁菌门比值;g-i分表代表痛风患者组和健康对照组之间,在门水平上(g,前3),属水平上(h,前30)和种水平上(i,前30)差异微生物的相对丰度,属或种水平上的微生物类群其颜色按门水平上的归属进行着色。
膳食纤维可被肠道菌群发酵生成短链脂肪酸(SCFAs)。除SCFAs被广泛研究的慢性炎症性疾病(如炎症性肠病、哮喘和过敏)外,SCFAs也可能对痛风的炎症产生影响。据报道,丁酸盐能够通过抑制组蛋白去乙酰化酶和降低MSU诱导的IL1β、IL-6和IL-829的分泌来抑制急性痛风关节炎。在痛风小鼠模型中,乙酸盐还显示可促进MSU诱导的炎症反应的消退。本研究队列中,SCFAs产生菌种在健康对照中富集,我们分析了SCFAs产生中编码关键酶的基因丰度,发现健康对照人群中负责丙酸盐和丁酸盐生物合成的基因相对丰度较高,而乙酸盐生物合成的基因未显示显著差异。
据报道,脂多糖(LPS)在免疫稳态中起着至关重要的作用,并可能参与到痛风相关炎症中。我们在痛风患者中观察到LPS生物合成和脂质A生物合成中的基因被富集。脂质A生物合成的主要贡献者是拟杆菌属和普雷沃菌属,两者均在痛风患者中被富集。相反,来自变形菌门(P = 0.017)的脂质A生物合成基因在健康对照中升高,包括大肠杆菌(E. coli,P = 0.005)和肺炎克雷伯菌(K. pneumoniae,P = 0.014)。据报道,由肠杆菌科细菌产生的类脂A有6条酰基链,可能是一种有益的先天性免疫激活剂,这与由拟杆菌和普雷沃菌产生的类脂A在结构上存在差异(这两种细菌存在4或5条酰基链),而后者所产生的类脂A可能抑制先天性免疫激活和内毒素耐受。因此,我们推测,这两种不同亚型之间存在脂质A生物合成的转换,最终导致痛风炎症的发生。据报道,大肠杆菌通过LPS抑制关节炎;克雷伯菌属在自身免疫性疾病中(包括类风湿性关节炎(RA)和类风湿性脊椎炎(AS))被耗尽,这同样支持了我们的猜测。
图2 与痛风相关的和尿酸降解有关的微生物基因功能。a尿酸降解的KEGG模块;b尿酸盐降解中涉及的KOs的相对丰度,其中绿色代表在健康对照人群中富集,无色方框或黑色KOs则表示无差异,灰色方框表示在样本中未检出;c痛风相关细菌属和尿酸降解相关KOs之间的相关性(红色和紫色分别为正相关和负相关),“+”,“*”,“#”分别表示在0.05,0.01和0.001水平上具有显著性差异;d SUA与肠杆菌科或克雷伯菌之间的相关性。
图3 细菌种类、KEGG通路和临床参数的三管齐下关联热图。其中左侧表示细菌种类和临床指数之间的显著Spearman相关性分析(P <0.05),分别以红色、蓝色和灰色代表正相关关系、负相关关系或非显著相关关系;上方表示KEGG通路与临床指数之间的显著相关性分析(P <0.05);下图表示痛风患者和对照组人群中KEGG通路富集的功能类别和方向性,其中绿色、红色和灰色分别代表在健康对照人群中富集的菌种、痛风患者中富集的菌种以及无显著差异的菌种;右图表示痛风和对照人群中富集的科水平上的类别和方向性,其中绿色、红色和灰色分别代表在健康对照人群中富集的菌种、痛风患者中富集的菌种以及无显著差异的菌种;居中的热图表示每个物种和给定KEGG通路内所有KOs之间的中位Spearman相关系数,通过减去物种和通路外所有其他KOs之间的中位Spearman相关系数(红色:正相关;紫色:负相关)调整背景分布。
痛风患者和健康对照组人群之间截然不同的微生物差异促使我们研究肠道微生物组是否有可能区分痛风患者和健康对照组人群。在发现队列中采用随机森林模型,基于微生物基因水平谱构建疾病分类器。前100个在丰度上具有差异的基因被纳入疾病分类器。基于10倍交叉验证的特征选择后,最终我们保留了3个性能最佳的基因(基因ID:15049[exo-α-sialidase]、415936[N-6 DNA methylase]和1697136[relaxase/mobilization nucleasedomain-containing protein]),据此建立了分类模型(图4a)。在发现队列中,这三个基因在痛风患者中均显著富集(图4b,P < 3.76e-7),其中两个基因(15049和415936)在验证队列中表现出增加趋势。发现队列和验证队列的受试者工作曲线下面积(AUC)分别达到0.91和0.80(图4c-d)。为了评估这些标记物的痛风特异性,我们检索了AS(n = 211)、RA(n = 169)、T2D(n = 268)和肥胖(OB,n = 200)的公共病例对照组宏基因组测序数据,使用相同的流水线处理这些数据集,并评估了三种基因在患者和对照组之间的区分潜力。这些队列的AUC范围为0.50-0.54,表明这三个基因标记物具有痛风特异性(图4e)。这3个基因分别被注释为F. mortiferum(种水平)、拟杆菌属(属水平)和拟杆菌属(属水平)。F. mortiferum在痛风患者中显著升高(P = 5.53e-4),同时所有差异拟杆菌属也在痛风患者中富集,这支持了基因标记物在痛风生物学中潜在的重要性。
图4 痛风的肠道宏基因组分类器。a在发现队列中基于微生物基因的相对丰度构建的训练模型,其中所有微生物基因根据其可变的重要性进行排序,然后依次加入模型中,图中灰线代表分别进行的5次训练,黑色曲线表示5次训练的平均交叉验证误差,红线代表标记优化模型中的基因数量;b发现和验证队列中三种微生物基因标记物的相对丰度*,**,***分别代表在0.05,0.01和0.001水平上具有显著差异;c-d分别表示发现样本和验证样本受试者的工作曲线(ROC);e表示使用三种痛风相关基因标记的痛风ROCs和强直性脊柱炎(AS)、肥胖(OB)、风湿性关节炎(RA)和2型糖尿病(T2D)的4个公共病例对照宏基因组数据集,每种疾病的AUC在括号中显示。
先前的研究已经证明了治疗药物对肠道微生物群的影响。我们评估了在基线后2周(2W,n = 61)、4周(4W,n = 38)和24周(24W,n = 7)三个时间点接受治疗干预的痛风患者的肠道微生物组动力学。其中大多数患者接受降尿酸和抗炎药。由于部分患者非常规药物使用,我们分别从2W、4W和24W三组中排除了9、2和2份粪便样本。痛风患者在药物干预期间微生物基因数量和Shannon指数无明显改变。然而,PCoA分析显示24W患者的粪便样本与其余患者样本分离,更接近于健康对照人群(图5a)。同样,24W时的样本与基线样本的Bray-Curtis相异度显著高于2W或4W与基线样本的Bray-Curtis相异度(0W-2W vs 0W-24W,P = 0.0023;0W-4W vs 0W-24W,P = 0.0017;图5c),这表明干预对24W患者肠道微生物组的影响更大。考虑到不同时间点的不匹配样本量可能会使结果产生偏倚,我们在所有患者中选择了5例痛风患者,这些患者在所有4个时间点均采集了粪便样本,结果与使用所有样本的结果一致(图5b)。与基线相比,24W时22种细菌(包括9种痛风富集菌种)的丰度降低,而8种菌种(包括2种对照富集菌种)增加(图5d)。在功能上,基线时与对照组相比,在痛风患者中显著改变的10个KEGG通路在24W时显示出显著的逆转趋势(图5e)。这些结果表明,降尿酸和抗炎药物可能在治疗24周时部分恢复肠道微生物。通过单药抑制实验,已证明治疗痛风的药物(包括苯溴马隆、别嘌呤醇、秋水仙碱、塞来昔布和依托考昔)在体外可影响肠道细菌生长。考虑到本研究中大多数同时接受降尿酸和抗炎药物的痛风患者的药物相互作用,这些药物与肠道菌群之间可能存在更复杂的体内关系。由于我们研究的观察性质,特定药物对肠道微生物组的影响需要在更大队列的干预性临床试验中进一步研究。
图5 通过对痛风的治疗干预来改变肠道微生物群。a治疗前后健康对照人群和痛风患者在基因水平上基于Bray-Curtis距离进行的PCoA分析(0W,n = 77;2W,n = 61;4W,n = 38;24W,n = 7),其中图中椭圆代表所有亚组数据95%的置信区间;b对健康对照人群和5个时间点配对的痛风患者在基因水平上基于Bray-Curtis距离进行的PCoA分析,其中图中椭圆代表所有亚组数据95%的置信区间;c代表治疗前后痛风患者β多样性的箱线图;d治疗24周后调节的细菌种类的相对丰度(n = 7),图中绿色和红色细菌种类分别代表发现队列中健康对照人群中富集的菌种和痛风患者中富集得到菌种;e治疗后微生物基因功能发生改变,其中紫色代表在健康对照人群或接受治疗的患者中富集的基因功能,红色代表治疗前在患者中富集的基因功能。
图6 痛风与其他自身免疫性和代谢性疾病肠道微生物组的比较。a在AS(n = 211)、痛风(n = 140)、OB(n = 200)、RA(n = 169)以及T2D(n = 268)数据集中,通过Wilcoxon秩和检验进行病例对照比较,确定所有微生物基因的P值分布;b在AS、痛风、OB、RA和T2D中不同种属的比较,其中紫色代表在健康对照人群中富集,红色代表在患者中富集;星号表示在0.05水平上具有显著性差异;c代表AS、痛风、OB、RA和T2D中微生物基因功能的比较,其中紫色代表在健康对照人群中富集,红色代表在患者中富集。
结论
综上所述,我们确定了与痛风相关的肠道微生物组中的分类学和功能特征,并根据我们的结果提出了肠道微生物如何影响痛风发生的假设模型。在痛风患者中,拟杆菌和普雷沃菌属中的菌种富集超过肠杆菌科的菌种,这可能导致六酰基链脂质A的生物合成改变为具有四或五个酰基链脂质A,并且可能在宿主免疫刺激和内毒素耐受中均产生负面影响。同时,肠杆菌科细菌的耗竭可能导致尿酸降解功能障碍,从而导致全身尿酸蓄积增加和痛风炎症的发生。其他微生物功能,如SCFAs的产生和鞭毛组装可能有助于维持健康的肠道微环境,这些功能在痛风中的耗竭可能通过修饰其各自宿主受体导致局部或全身炎症增加。我们的结果显示痛风患者肠道微生物组的微生态失调与SUA和全身炎症增加相关,随着时间的推移,通过降低尿酸和抗炎药物干预可能会部分恢复。为了更好地理解痛风肠道菌群的潜在机制,未来需要进行更大规模的纵向队列研究和动物模型实验来验证我们的发现。
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