科研 | Gut:宿主和肠道微生物色氨酸代谢与2型糖尿病:队列研究中宿主遗传学、饮食、肠道微生物组和循环代谢物的综合分析

2021
10/09

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微生态
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色氨酸可通过宿主犬尿氨酸和微生物吲哚途径分解为各种代谢物。



编译:微科盟中元,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。

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导读  

色氨酸可通过宿主犬尿氨酸和微生物吲哚途径分解为各种代谢物。本文旨在研究宿主和微生物色氨酸代谢产物与2型糖尿病(T2D)、宿主遗传、饮食和肠道微生物群的关系。我们分析了来自五组不同种族/民族背景的9180名参与者循环中11种色氨酸代谢物的水平与T2D发病之间的关系。检测了宿主全基因组变异、饮食摄入和与这些代谢物相关的肠道微生物群。色氨酸、四种犬尿氨酸途径的代谢物(犬尿氨酸、犬尿喹啉酸、黄尿酸和羟基喹啉铜)和吲哚乳酸与T2D风险呈正相关,而吲哚丙酸与T2D风险呈负相关。我们确定了与这些T2D再释放代谢物相关的多种宿主遗传变异、饮食因素、肠道细菌及其潜在的相互作用。与色氨酸代谢物最密切相关的饮食因素是摄入富含纤维的食物,而不是富含蛋白质/色氨酸的食物。纤维与吲哚丙酸相关的部分原因是与吲哚丙酸相关的肠道细菌,主要是利用纤维的厚壁菌门。我们在宿主功能LCT变体(确定乳糖酶持久性)和血清吲哚丙酸之间发现了一种新的关联,这可能与宿主基因与肠道双歧杆菌(一种与吲哚丙酸显著相关的益生菌,不依赖于其他纤维相关细菌)的饮食相互作用有关。牛奶摄入量与更高水平的肠道双歧杆菌和血清吲哚丙酸仅在遗传乳糖酶非持久性个体中有关。在乳糖酶非持久性个体中,较高的牛奶摄入量和较高的纤维摄入量与T2D循环色氨酸代谢产物的有利分布有关,可能是通过宿主微生物的交互作用将色氨酸代谢转向肠道微生物的吲哚丙酸生产。


 

论文ID


 
名:   Host and gut microbial tryptophan metabolism and type 2 diabetes: an integrative analysis of host genetics, diet, gut microbiome and circulating metabolites in cohort studies  
 

宿主和肠道微生物色氨酸代谢与2型糖尿病:队列研究中宿主遗传学、饮食、肠道微生物组和循环代谢物的综合分析

期刊Gut

IF:23.059

发表时间:2021.8.23

通讯作者:Qibin Qi

通讯作者单位:美国纽约布朗克斯叶史瓦大学爱因斯坦医学院


实验设计


图1 整合与T2D相关的宿主遗传学、饮食、肠道微生物群和循环代谢产物的工作流程概述。  


结果


1 色氨酸代谢产物与T2D事件
研究参与者的基线特征见表S4。在2821HCHS/SOL基线无糖尿病的美国西班牙裔/拉丁裔中,在中位值为5.7年的随访中发现了367T2D病例。在6359名基线无糖尿病,来自ARICFHSWHIPREDIMED的不同种族/民族背景的参与者中,随访期间确定了1665T2D事件。在11种代谢物中,色氨酸、4种犬尿氨酸代谢物(犬尿氨酸、犬尿喹啉酸、黄尿酸和羟基喹啉铜)吲哚乳酸与T2D事件呈正相关(所有FDR0.05;图2,模型1)HCHS/SOL和其他四项研究的结果基本一致(S5)。除羟基喹啉铜外,在进一步调整体重指数(BMI)和腰臀比等肥胖指标后,观察到的相关性减弱,但仍然显著(2,模型2)。对血脂、血压、体育活动和饮食质量的进一步调整并没有在本质上改变这些联系(S5)
2821名基线无糖尿病的HCHS/SOL参与者中,与T2D正相关的代谢物(即色氨酸、犬尿氨酸、犬尿喹啉酸、黄尿酸和羟基喹啉铜和吲哚乳酸)相互之间显示出较弱至中度相关性(Spearman’s r=0.11-0.63)(S2),与多种心脏代谢特征呈正相关关系,特别是空腹血胰岛素、胰岛素抵抗评估稳态模型(HOMA-IR)BMI(S3)。吲哚丙酸是唯一与T2D呈负相关的代谢物,与其他代谢物无相关性(Spearman’s r=-0.05-0.06),并与BMI和其他一些心脏代谢特征呈显著但微弱的负相关。
 

2 循环色氨酸代谢产物水平与2型糖尿病发病的关系。根据年龄、性别、吸烟、饮酒、教育程度、家庭收入、糖尿病家族史、自述高血压和/或抗高血压药物使用情况进行调整后,每SD代谢水平增量的2型糖尿病发病率HRs95%CI自述血脂异常和/或降脂药物使用和其他研究特定的协变量(模型1)并进一步调整身体质量指数和腰臀比(模型2)五项研究的结果通过固定效应荟萃分析结合。

 
2 宿主遗传学和色氨酸代谢物
我们的全基因组荟萃分析(n= upto 9290)13个位点上识别出21个独立信号,与11种色氨酸代谢物中的9种相关(p<4.5×10−9)(3和表S6)。此前有7个位点的遗传变异未与相应代谢物相关,包括SLC22AIDO1-IDO2AADATACMSDACSM2B-ACSM1CDK10LCT中或附近的代谢物。我们在六个位点确认了已知的遗传关联。当显著性阈值放宽到传统的全基因组显著性时(p5.0×10-8),我们发现了16个与色氨酸代谢物相关的位点(S6)。许多新发现和确认的信号存在于包含宿主犬尿氨酸途径代谢(TDO2IDO1-IDO2KMOAADATACMSD)或色氨酸代谢物运输(SLC7A5SLC22A1SLC16A10)基因的基因组区域。
基于荟萃分析的GWAS汇总统计数据, 5- 羟色胺的全基因组SNP遗传率(h2)估计为13.0%(SE=4.9%),吲哚丙酸为10.7%(5.8%),犬尿氨酸为7.4%(4.8%),其他代谢物为0%-7.0%(S7)。正如预期的那样,这些基于全基因组SNP遗传率估计比使用经典双胞胎模型的估计要低得多,而且通常高于以往研究中基于一些全基因组显著变异的估计(S7)。然后,我们检测了三种代谢物(血清素、吲哚丙酸和犬尿氨酸)之间的潜在因果关系,其遗传度估计符合LCV模型的标准(n=up to 9290),使用GWAS对我们研究的代谢物以及在DIAGRAM中获得的T2D代谢物进行汇总统计(55005T2D病例和400308对照组)。吲哚丙酸与T2D存在潜在因果关系(遗传因果比例=76%p=1.6×10−24)(S7)

图3 循环色氨酸代谢物水平的曼哈顿GWAS图。对9290名HCHS/SOL患者的GWAS进行meta分析,ARIC和FHS鉴定了9种色氨酸代谢物的13个位点(在插图中显示颜色)。显著p值阈值为4.5×10-9(由虚线表示)。ARIC,动脉粥样硬化风险研究;FHS, 弗雷明汉心脏研究;GWAS,全基因组关联研究;HCHS/SOL,拉丁裔社区卫生研究/拉丁裔研究。

 
3 膳食摄入和色氨酸代谢物
3938HCHS/SOL参与者中,我们观察到较高的蔬菜、水果、全谷物、坚果和豆类摄入量和较低的精制谷物和红肉摄入量与较高的血清吲哚丙酸水平存在显著关联(4A)。摄入一些与吲哚丙酸正相关,与其他吲哚衍生物和大多数犬尿氨酸途径代谢物呈负相关的富含纤维的食物。其他食物组的相互调整没有显著改变结果(S8)。一直以来,较高的纤维摄入量与较高的吲哚丙酸相关(p=7.3×10−60),与较低水平的其他吲哚衍生物和大多数犬尿氨酸途径代谢物相关(4B)。这些关联与大量营养素和色氨酸的摄入无关(S9)。摄入一些富含蛋白质的食物(如红肉、家禽和奶制品)和色氨酸与血清色氨酸水平、大多数犬尿氨酸途径代谢物和吲哚硫酸酯呈正相关(4A和表S8S9)。我们对2821HCHS/SOL基线无糖尿病的参与者的中介分析表明,这些色氨酸代谢物对总体饮食质量(AHEI-2010)T2D事件之间的关联具有显著的中介效应(中介比例=61.5%p =0.01)
 

图4 膳食摄入量与血清色氨酸代谢水平。(A)HCHS/SOL中10种主要食物组与血清色氨酸代谢物关联的极线图。红色:正相关(FDR<0.05);蓝色:负相关(FDR<0.05)。(B)在HCHS/SOL中,血清色氨酸代谢物水平(反向正常转化)与每日1 g/1000千卡膳食纤维摄入相关的差异(95%CI)。FDR,错误发现率;HCHS/SOL,拉丁裔社区卫生研究/拉丁裔研究。

 
4 肠道微生物群和吲哚衍生物
由于吲哚途径主要通过肠道菌群进行,我们在759HCHS/SOL参与者中检测了92个肠道微生物属与四种吲哚衍生物血清水平之间的联系。重点研究吲哚丙酸和吲哚乳酸,因为这两种吲哚衍生物与T2D事件显著相关,并鉴定出21个与吲哚丙酸显著相关的菌属(FDR 0.05),但与吲哚乳酸无显著相关性(S10)。此外,5个菌属与吲哚乙酸菌显著相关,11个菌属与硫酸吲哚酚显著相关。
21个吲哚丙酸伴生属跨越3个门(厚壁菌门,n =16;放线菌,n = 3;拟杆菌门,n=2)(5A)。当我们同时将21个属纳入吲哚丙酸的线性回归模型时,这些属(尤其是厚壁菌门)的关联大大减弱或消失,而双歧杆菌与吲哚丙酸的关联没有变化(S4)
 

5 膳食纤维摄入量、肠道菌群和血清吲哚丙酸。(A)HCHS/SOL中宿主血清吲哚丙酸水平与分类学特征的系统发育树。21个肠道微生物属与血清吲哚丙酸显著相关(FDR0.05),以实圈表示。外圈显示的数据是肠道菌群属对血清吲哚丙酸的效应值(正,红色;负,蓝色)(B)HCHS/SOL21个吲哚丙酸相关肠道微生物属与膳食纤维摄入量的关联。为了显示肠道微生物属与吲哚丙酸和纤维摄入量关联的可比估计,数据以Z-scores(回归系数/SEs)表示。膳食纤维摄入量与肠道微生物属之间的关联*FDR<0.05(C)膳食纤维摄入量与血清吲哚丙酸水平与HCHS/SOL中肠道菌群(20个吲哚丙酸相关肠道微生物属)调整的关系。双歧杆菌,显示与吲哚丙酸和纤维摄入量呈相反的关系,不包括在内。

 
5 纤维摄入量,肠道微生物群和吲哚丙酸盐
2759名具有饮食和肠道微生物组数据的HCHS/SOL参与者中,除双歧杆菌外,所有吲哚丙酸相关菌属均与纤维摄入量相关(15个菌属FDR<0.05),其相关性与细菌属与吲哚丙酸之间的相关性方向相同(5B)。在752名具有饮食、代谢组学和肠道微生物组数据的HCHS/SOL参与者中,在进一步调整20个吲哚丙酸相关菌属(不包括双歧杆菌),纤维摄入量与吲哚丙酸之间的相关性减弱(5C)。当模型中包含双歧杆菌时,衰减相似。我们还发现这20个吲哚丙酸相关菌属对纤维摄入量与吲哚丙酸之间的关联具有潜在的中介效应(中介比例=22.3%p =0.003)。这些结果表明,这20个吲哚丙酸相关菌属可能部分解释了纤维摄入与吲哚丙酸之间的关系,而双歧杆菌可能参与了与吲哚丙酸相关的其他途径。
 
6 宿主LCT,肠道双歧杆菌和吲哚丙酸
我们接着关注了与吲哚丙酸相关的肠道双歧杆菌,因为肠道双歧杆菌丰度与宿主功能LCT变异(rs4988235)有关,我们的GWAS也鉴定出LCT为吲哚丙酸的一个新位点。LCT-rs4988235是一个已知的变体,决定了成年期乳糖酶持久性(AA/AG与乳糖酶持久性有关,GG与乳糖酶非持久性有关)。与之前的证据一致,rs4988235-G等位基因与HCHS/SOL中较低的牛奶摄入量(p=1.1×10−40n=12531)(6A)和较高的肠道双歧杆菌丰度(p=2.1×10−17n=2368)(6B)有关。在我们的GWAS研究中,rs4988235-G等位基因与较高的循环吲哚丙酸水平相关(在荟萃分析中,p=3.2×10−17n=9290;异质性p=0.51)(HCHS/SOL中,p=3.2×10−12n=3933;图6C)。当我们将LCT-rs4988235和双歧杆菌纳入吲哚丙酸的多变量线性回归模型时(n=752),双歧杆菌与吲哚丙酸显著相关,而不是LCT-rs4988235
与之前的证据一致,在HCHS/SOL(相互作用p=0.001n=2342)中,我们发现仅在乳糖酶非持久性参与者中牛奶摄入量与肠道双歧杆菌丰度呈正相关(rs4988235GG, p=6.9×10−5),但在乳糖酶持久性参与者中没有(rs4988235 AG+GGp=0.74)(6)。与LCT-牛奶对肠道双歧杆菌的相互作用平行,我们鉴定了牛奶摄入量和LCT基因型对血清吲哚丙酸的一种新的相互作用(相互作用p=0.009n =3899)。仅在乳糖酶非持久性个体(p=6.3×10−5)中,牛奶摄入量与血清吲哚丙酸水平呈正相关,但在乳糖酶持久性个体(p=0.92)中没有相关性(6E)。这种显著的交互作用在ARIC中也存在(相互作用p=0.001n =3178)(6F)LCT-rs4988235与低乳糖乳制品摄入量(如酸奶、奶酪)无显著相关性,或与其他乳制品对肠道双歧杆菌丰度或血清吲哚丙酸水平有显著相互作用(数据未显示)

6 (A)根据HCHS/SOL中的LCT-rs49883235基因型,宿主LCT基因型、牛奶摄入量、肠道双歧杆菌和血清吲哚丙酸调整平均值和牛奶摄入量(日摄入量)95%CIs(B)根据HCHS/SOLLCT-rs49883235基因型调整后的肠道双歧杆菌丰度均值和95%CI(C)根据HCHS/SOLLCT-rs49883235基因型调整血清吲哚丙氨酸水平的平均值和95%CI(反向正常转化)(D)根据HCHS/SOLLCT-rs49883235基因型分层的牛奶摄入量,肠道双歧杆菌丰度的调整平均值和95%CI(中心对数-比值转换)(E)根据HCHS/SOLLCT-rs49883235基因型分层的牛奶摄入量,血清吲哚丙酸水平(反向正常转化)的调整平均值和95%CI(F)分别根据HCHS/SOLARICLCT-rs49883235基因型,并结合荟萃分析,与每天一份牛奶摄入相关的血清吲哚丙酸水平(反向正常转化)的差异和95%CI

 

讨论


在具有不同种族/民族背景的大规模人群中,我们的研究表明,犬尿氨酸途径代谢物、一组宿主色氨酸分解代谢产物(包括犬尿氨酸、羟基喹啉铜、犬尿喹啉酸和黄尿酸)的循环水平与T2D风险增加相关。我们还发现,高摄入量的动物基础、富含蛋白质的食物和低摄入量的植物基础、富含纤维的食物与较高循环水平的犬尿氨酸途径代谢物相关,但在进一步调整饮食质量评分后,犬尿氨酸途径代谢物与T2D之间的关联没有变化。这表明,这些代谢物可能是不健康饮食与T2D风险增加之间的潜在中介物,而不是反映不良饮食影响的简单生物标志物。此外,这些犬尿氨酸途径的代谢物与肥胖指标和胰岛素抵抗呈正相关,肥胖可能部分解释了我们观察到的这些代谢物与T2D之间的关联。这些发现与之前的证据一致,并支持肥胖和相关炎症激活犬尿氨酸通路可能会影响胰岛素信号并导致T2D风险增加的观点。
吲哚衍生物是一类微生物色氨酸分解的代谢产物,通常对人体健康有益。较高的循环吲哚丙酸与较低的T2D风险相关,但有人认为,这种关联可能只是反映了膳食纤维摄入对T2D的有益影响。我们的研究证实了吲哚丙酸与T2D之间的有益联系,并进一步提示了潜在的因果关系。这与吲哚丙酸在抗氧化、抗炎症和改善糖代谢方面的潜在作用是一致的。
由于很少有证据表明吲哚丙酸可以从纤维发酵中得到,所以纤维摄入和循环吲哚丙酸之间的强正相关是有趣的,但这可能在一定程度上可以通过我们的综合分析提出的一个潜在的新途径来解释。色氨酸是吲哚丙酸生产的唯一来源,这被认为是完全依赖于小鼠的肠道微生物,主要涉及梭状芽孢杆菌属的细菌物种。在我们的研究中,大部分确认的肠道细菌属,包括梭状芽孢杆菌,显示与吲哚丙酸呈正相关。这些菌属中的大多数都是厚壁菌门的成员,厚壁菌门包括许多利用膳食纤维作为主要能量来源的物种。包括色氨酸在内的芳香族氨基酸的分解代谢在厚壁菌门中已被证实,但在其他门中未被证实。我们还在其他门中发现了几个吲哚丙酸细菌属,这些细菌可能与纤维摄入有关,但它们是否参与了吲哚丙酸的生产尚不清楚。例如,已知纤维菌属(放线菌属中的一个属)可以降解纤维素,这是一种发现于植物细胞壁的纤维。这些发现表明,较高的纤维摄入量可能会增加使用纤维的细菌的数量,其中一些可能有能力从色氨酸生产吲哚丙酸或其底物,从而使宿主色氨酸-犬尿氨酸分解代谢更倾向于肠道微生物生产吲哚丙酸。然而,值得注意的是,纤维摄入和吲哚丙酸之间的关系并不能完全用我们研究中发现的细菌来解释。参与这一途径的肠道细菌可能不会被我们的粪便宏基因组学完全捕获。我们的研究有一个明显的局限性,即饮食和血清代谢物的评估在粪便样本采集前的中位时间为7年。虽然在很长一段时间内发现人类肠道微生物群是非常稳定的,但在本研究中,7年的时间滞后可能会减弱肠道微生物群与饮食和代谢物的联系。通过同时收集的数据,我们可能会观察到肠道微生物群与纤维摄入量和血清吲哚丙酸有更强的相关性。尽管如此,我们的研究结果表明,除了短链脂肪酸的产生外,吲哚丙酸的产生可能是膳食纤维对人类心脏代谢健康有益的一种新的微生物代谢途径。
本研究的另一个新发现是,通过与牛奶摄入量的明显相互作用,乳糖酶持久性决定LCT的变异与循环吲哚丙酸有关。这可能与本研究中发现的一种吲哚丙酸相关的肠道细菌双歧杆菌有关,该细菌与宿主LCT和牛奶摄入量有关。与乳糖酶持久性个体相比,乳糖酶非持久性个体在消耗牛奶后不能水解乳糖,因此在肠道中有更多的乳糖作为双歧杆菌生长的能量来源,这可能有助于更高的吲哚丙酸产量。事实上,尽管目前尚不清楚双歧杆菌是否具有生产吲哚丙酸的能力,但双歧杆菌属的许多菌株已被发现能产生吲哚乳酸(一种吲哚丙酸的底物)。此外,人类和动物研究表明,肠道双歧杆菌在T2D中具有潜在的保护作用。综上所述,我们的观察将先前确定的宿主基因与肠道菌群的饮食相互作用扩展到宿主循环中微生物产生的代谢物中,并表明微生物吲哚衍生物的产生是肠道双歧杆菌与T2D相关的潜在机制。由于浅层鸟枪测序数据的限制,我们没有检测双歧杆菌的种类或菌株,或需要在未来的研究中澄清的吲哚衍生物生产的功能特征。
另外两个吲哚衍生物(吲哚乙酸和吲哚乳酸),已经被证明通过激活芳基烃受体而起作用,可以减少炎症和胰岛素抵抗。然而,我们没有发现这两种代谢物与T2D的有益关联。与此相反,在我们的研究中,吲哚乳酸与T2D风险增加有关,并且在以前的研究中也报道了吲哚乳酸与胰岛素抵抗之间不一致的相关性。有趣的是,我们发现血清吲哚乳酸与犬尿氨酸途径代谢产物的相关性比其他吲哚衍生物更密切,宿主因子(KYAT1的遗传变异,参与宿主色氨酸-犬尿氨酸代谢的基因)与循环中的吲哚乳酸水平相关,而不是肠道微生物因子。需要进一步研究来阐明循环和粪便吲哚衍生物之间的关系及其与T2D的关系。
综上所述,循环色氨酸、几种犬尿氨酸途径代谢物和吲哚乳酸与T2D事件存在不利关联,而吲哚丙酸与T2D事件存在有益关联。我们确定了与这些代谢物相关的多种宿主遗传、饮食和肠道微生物因素。特别是,较高的纤维摄入量和牛奶摄入量(仅在遗传性乳糖酶非持久性个体中)与较高的吲哚丙酸循环水平相关,可能是通过宿主-微生物的交互作用将色氨酸代谢转向肠道微生物吲哚丙酸生产。值得注意的是,虽然我们的研究结果可能具有很强的生物学合理性,但由于其观察性质,我们无法做出因果推断。这些发现有助于我们理解色氨酸代谢中宿主-微生物串扰及其对人类代谢健康和疾病的影响,并可能有助于根据循环代谢谱识别高风险个体,通过饮食干预和肠道微生物群修饰进行针对性干预。






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关键词:
微生物色氨酸,双歧杆菌,代谢物,遗传学,摄入量,色氨酸,肠道,丙酸,吲哚

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