iHMP 炎症性肠病（IBD）：多组学研究成果合辑
转自搜狐|作者：锐翌基因，2019-06-27 17:39
自2013年起，人类微生物组整合计划（Integrative Human Microbiome Project，iHMP 或 HMP2）定义了三大疾病研究方向，即：妊娠和早产、炎症性肠病、糖尿病前期。2019 年 5 月 30 日，《Nature》期刊上关于炎症性肠病研究成果的发表，象征着 iHMP 该方向研究的完成。
炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease，IBD）是累及回肠、直肠、结肠的一种病因尚不明确的特发性肠道炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis，UC）和克罗恩病（Crohn's Disease，CD），临床表现为腹泻、腹痛，甚至有血便。全球范围内近 30 年来，IBD 发病率不断攀升，影响了 350 多万人的身体健康。
每年的 5 月 19 日被世界卫生组织定为“世界炎症性肠病日”（World IBD Day）。今年，我国多家医院在当地各自牵头举办了炎症性肠病健康微行动，活动以“IBD 云课堂”、“炎症性肠病饮食自我管理”专题讲座等一系列形式开展教育宣传工作。旨在呼吁全社会加强对 IBD 疾病的关注，提高 IBD 的规范治疗，帮助患者实现慢病自我管理，树立坚持治疗的信心。
炎症性肠病（IBD）与肠道微生物的相关研究历史悠久，多项临床研究曾深入探讨肠道微生物在 IBD 鉴别诊断、疾病活动度、肠外表现中的特征性变化。目前已知 IBD 与肠道微生物的变化有重要关联，但微生物是如何影响及其代谢物是如何变化（宿主和微生物之间的分子互动）的研究仍不清晰。
iHMP
作为整合人类微生物组项目（HMP2 或 iHMP）的重要部分，哈佛大学 Curtis Huttenhower 教授团队对 5 个学术医疗中心的 132 名受试者进行了为期一年的多组学研究。
研究构建出宿主和微生物在疾病期间活动的纵向综合分子谱（最多 24 个时间点，共 2965 例粪便、肠道组织和血液标本），从而描述微生物功能失调现象。
IBD 微生物的多组学研究
研究详情
受试者
克罗恩病（CD）组、溃疡性结肠炎（UC）组、非IBD对照组
研究样本
1785 份粪便样本、651 份肠道组织样本、529 份血液样本
研究方法
1）对受试者的粪便样本进行宏基因组（MGX）、宏转录组（MTX）、蛋白质组（MPX）、代谢组（MBX）和病毒组（VX）检测；
2）组织样本进行以微生物为靶点的人 RNA 测序（RNA序列（HTX））、还原表征亚硫酸氢盐测序（RRBS）和 16S rRNA 基因扩增子测序（16S）；
3）血液样本进行外显子测序、血清学特征和 RRBS 分析；
主要结论
01 IBD患者肠道内代谢物多样性降低
通过肠道内代谢物的对比研究表明：
IBD 患者肠道内含量丰富的化合物较少，如多不饱和脂肪酸（肾上腺素和花生四烯酸盐）。肠道中的泛酸盐和烟酸盐（分别是维生素 B5 和 B3，这两种维生素都需要产生用于脂质代谢的辅助因子，烟酸盐在肠道中具有抗炎和抗凋亡的功能）在肠易激综合征期间显著减少。
研究者猜测，IBD 患者体内代谢物库的多样性较低，可能是由于患者营养吸收不良、肠内水分或血液含量增加、患者肠道转运时间缩短所致。
此外，研究团队还分析了代谢组的“移位”情况，发现，代谢组移位率约为宏基因组的一半。通过对相同受试者的不同样本之间的代谢物谱进行差异分析，发现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）。
值得注意：研究几乎只在 IBD 患者的粪便中发现了烟酸的代谢物烟酰甘氨酸
02 IBD 患者的肠道微生物稳定性下降，几周内微生物变化频繁、极端
IBD 患者的肠道微生物多样性减少、相对丰度降低，微生物群处于失衡状态。如产生短链脂肪酸（SCFAs）的专性厌氧菌几乎丧失，兼性厌氧菌过度生长，这往往与菌群进出失调有关。IBD 患者的肠道微生物与对照组相比，普氏菌（P.copri）的显著减少、普氏粪杆菌（F.prausnitzii）显著富集。
为了进一步鉴定时间维度上的微生物组差异，研究团队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（P. copri）丰度高的个体。
研究还发现普氏粪杆菌(F.prausnitzii)、罕见小球菌属（Subdoligranulum）相关微生物、大肠杆菌（E.coli）和罗斯氏菌属（Roseburia）等微生物丰度的变化会导致宿主代谢失调，酰基肉碱、胆汁酸和短链脂肪酸-丙酸等代谢节点产物会在IBD病理状态下表达失调。
03 IBD患者肠道中的有益物质减少，疾病受宿主和微生物相互作用影响较大
IBD 患者结肠上皮细胞的分子过程受到干扰，如患者肠道中短链脂肪酸等有益物质减少、酰基肉碱水平升高，这均与多组“宿主-微生物”相互作用密切相关。
研究进一步发现 CD 患者回肠和 CD、UC 患者直肠的发炎部位与非 IBD 患者相应部位的差异基因，可直接影响共生微生物的基因（如抗菌的 CXCL6 和抑制革兰氏阴性菌生长的 SAA2）和可间接影响微生物的基因（如可以产生活性氧的 DUOX2 和通过螯合诱导微生物缺铁的 LCN2），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。
为了确定微生物与代谢变化最相关的物种，研究通过 16S 扩增子测序，针对与微生物相对丰度较一致的转录本进行分析。分别在回肠和直肠中发现了 31 对和 106 对重要的基因操作分类学单元（Operational Taxonomic Unit，OTU），并发现这些物种最容易受到趋化因子活性变化影响，如 DUOX2 及其成熟因子 DUOXA2，均与回肠中瘤胃球菌科 UCG005（OTU89）的丰度呈负相关。
研究还构建包含 10 个微生物组测量指标的大规模交叉测量型关联网络，寻找可能构成 IBD 疾病活动基础的宿主和微生物分子相互作用。
这些网络将 IBD 中鉴定到的多种类型的微生物群变化与宿主分子特征联系起来，综合分析导致失调的微生物、生化和宿主因素。这将会为后续的 IBD 的研究和胃肠道炎症发病机制的发掘提供潜在目标。
今年 2 月，一篇有关 IBD 与肠道微生物结构及代谢活性的研究成果发表在《Nature microbiology》期刊上。研究主要针对 155 人的研究组（包括CD、UC 和非 IBD 对照）和 65 人的验证组的粪便样本进行非靶向代谢组和宏基因组联合分析。
研究团队通过对肠道内代谢物含量和类别的检测、肠道微生物及相关影响的分析，发现，与非 IBD 对照组相比，IBD 患者的肠道微生物多样性减少，代谢物和代谢物种类减少，代谢物多样性丧失。
另外，针对 IBD 患者的肠道微生物、代谢物分类及相关关系进行代谢组、宏基因组的多组学方法研究，分析的准确度更高。
该研究有助于临床学者对 IBD 患者肠道微生物和代谢产物的关联作用进行理解，也为 IBD 的潜在诊断和治疗靶点提供了方向。
研究结果
1）IBD 患者的广泛代谢变化与宿主炎症有关，UC 患者的炎症程度不同可能会导致 UC 患者的代谢组谱和宏基因组谱不均匀。
2）IBD 患者与对照组的代谢表型不同，CD、UC和对照组的代谢物之间存在明显差异，如鹅脱氧胆酸盐，羟基十四烷酸，C54：6 TAG，C22：0-鞘磷脂，乳酸和泛酸。（CD 患者与对照组相比，有 8 类代谢物在 CD 患者中增加；UC 患者与对照组相比，有7类代谢物在 UC 患者中水平显著升高）。
3）IBD 相关的微生物和代谢物之间存在机制联系，如：辛酸，一种中链脂肪酸（MCFA），具有抗菌和抗病毒的特性，与瘤胃球菌属的丰度呈显著负相关。而酶的作用也会对微生物产生影响。
4）IBD 患者的肠道微生物多样性减少，结构发生变化。与对照组的肠道微生物相比，CD 和 UC 肠道微生物的分类多样性普遍降低，拟杆菌门水平下降，变形杆菌门水平升高。
在CD患者的肠道微生物中，梭菌纲的比例发生了变化：毛螺菌科（Lachnospiraceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）中的罗斯氏菌属(Roseburia)和肠杆菌属（Faecalibacterium）减少，而瘤胃球菌属（Ruminococcus gnavus）增加。
5）多组学特征可以区分不同群组中的 IBD 亚型，在 PRISM 队列中，利用微生物、代谢产物及其组合预测 UC、CD 或非 IBD 的准确率高达 64~65%。
另外，作为 iHMP 的重要组成部分，名为 Dynamics of metatranion in the inflammatory bowel disease gut microbiome 的研究成果在 2018 年预先发表在《Nature microbiology》期刊上。
IBD 多组学数据库（IBDMDB）的目标是收集更多 IBD 患者的纵向多组学特征，以深入了解微生物异常的机制及其对疾病发病和进展的影响。
研究队列纳入 117人（59 名克罗恩病患者、34 名溃疡性结肠炎患者、24 名非 IBD 患者）的 222 个宏基因组数据和 78 对宏基因组和宏转录组数据，在宏基因组和宏转录组水平上监测 IBD 患者的肠道微生物差异变化。
1、肠道微生物在转录水平上对 IBD 患者有潜在影响，且转录过程可能随时间而变化，从而导致与宏基因组检测丰度相关的表型变化。即：疾病特异性微生物的特征可能更容易从转录水平中发现。
2、针对肠道微生物的活性和丰度进行分析，在 IBD 疾病研究过程中非常必要。虽然肠道中某些微生物的基因组丰度不高，但关键物种的丧失可能对宿主健康有极大影响。
3、尽管许多肠道微生物的 DNA 和 RNA 丰度表现一致，但仍能检测到物种特异性的转录活性偏差，这揭示了某些转录过程通常由宿主肠道中的单个微生物主导（如 Faecalibacterium prausnitzii ）。
4、某些特定的疾病微生物特征只能在转录组水平上检测到或在转录水平上更为明显，如 IBD 患者肠道中的 Bacteroides vulgatus 和 Alistipes putredinis。研究还鉴定出一些基因组丰度较高，但转录活性较低的物种（如 Dialister invisus）。
END
iHMP 的相关研究开发了 IBDMDB，这是分子特征与 IBD 动力学有关的肠道微生物群多个分子特征的首次集成研究。
利用微生物组的多组学研究，为后续的特性鉴定找出了一些宿主和微生物的特征，这是迄今为止对炎症性肠病和微生物活动描述最全面的数据库，将为 IBD 的治疗提供新型生物标志物，改善疾病形势。
IBDMDB 数据网站：https://ibdmdb.org/
- Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases
- Gut microbiome structure and metabolic activity in inflammatory bowel disease
- Dynamics of metatranion in the inflammatory bowel disease gut microbiome
声明：本媒体部分图片、文章来源于网络，版权归原作者所有，如有侵权，请与我联系删除。