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Genome Research | 非家系群体肠道微生物与宿主遗传之间的关系
发布日期：2017-10-25浏览：
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导读：
本文发表于《Genome Research》(IF=11.351)，主要关注非家系群体肠道微生物与宿主遗传之间的关系。本文研究者利用16s测序手段对一组共计110个近交系近600只小鼠的肠道菌群进行研究。结果表明，在受控环境中，宿主遗传因素是影响主要肠道菌丰度的重要因素。
摘要
遗传学方法为研究宿主与肠道菌群之间的互作提供了强有力的技术支撑。基于此，本文利用16s测序手段对一组共计110个近交系近600只小鼠的肠道菌群进行研究。用于研究的近交系此前已开展过广泛的代谢组特征研究，可用于高分辨率关联作图。利用SNP构建线性混合模型，对影响肠道菌组成的遗传学因素开展研究。结果表明，在受控环境中，遗传因素是影响主要肠道菌丰度的重要因素。
利用高脂高糖饮食的小鼠，本研究中首先假设饮食反应部分是由于受到了肠道菌构成的影响，再利用交叉培养策略进行验证：
>本研究中选用对微生物灌喂反应平和的SWR小鼠家系，对其灌喂对微生物反应强烈的AxB19家系的肠道菌群。与在微生物饮食反应中一致，交换培养的SWR小鼠呈现显著的体重增加。
>为验证到底是哪一类微生物在此过程中起到重要作用，研究对多种丰度与饮食反应相关的微生物物种进行了验证，并基于此选择Akkermansia muciniphila进行灌喂。该菌种是一种常见的与代谢反应相关的厌氧菌。当对AxB19进行灌喂时，饮食反应呈现明显的降低肥胖度、血脂和胰岛素抵抗的效应。
>为了进一步了解宿主与菌群之间的相互作用，研究中采用遗传标记的方法将控制微生物组构成及宿主潜在优选候选基因的位点进行分析。
该研究为后续的宿主与微生物相关关系的研究提供了基础数据。
材料方法
小鼠均为UCLA(机构名)培养的二代或多代的8周龄小鼠，进行高脂高糖饲喂八周，实验共计来自113个族系的599只小鼠（327例公鼠，297例母鼠）（the Hybrid Mouse Diversity Panel, HMDP）。采集盲肠及粪便样本冻存备用。
—提取微生物组DNA，采用515F-806R扩增16s的V4区进行Miseq测序。每个样本获得7000条序列用于后续分析。经过筛选 592例样本纳入统计。
—遗传力计算：基于线性混合模型通过EMMAX软件评估遗传力。
—临床特征纳入：体征（体脂，瘦体重等），食物摄入量，血液及血浆检测。
—交叉培养策略：出生24h后雌性SWR幼鼠交由AxB19/PgnJ母鼠哺乳，21天后断奶，8周后开始连续八周高脂高糖饮食。对照组为同系母鼠喂养的小鼠。
—A. muciniphila灌喂：10周龄A×B19雄鼠用该菌种定量灌喂，每周灌喂5天，持续5周。对照组灌喂等量热灭活菌株，第一周灌喂之后，其余四周保持高脂高糖饮食。
—利用FaST-LMM算法开展物种关联分析。共计198，431个SNP位点纳入统计，开展GWAS关联分析。
—QTL分析：结合16周大高脂高糖饮食小鼠的附睾脂肪及肝脏样本的整体表达分析（Affymetrix HT_MG-430A array），阐明候选基因位点与微生物组成丰度之间的关系。
主要结果
1. 基于大量鼠的株系的肠道微生物变化研究
本研究对599例小鼠肠道样本进行16s测序分析，重点关注相对丰度占比在0.01%以上的物种（共计439个OTU）。研究发现高脂高糖饮食确实会引起小鼠肠道微生物构成的变化，但是这种变化也与小鼠的遗传背景相关。在人和小鼠的肠道微生物中丰度最高的菌群为Firmicutes和Bacteroidetes，在进行高脂高糖饮食之后，Firmicutes丰度增高、Bacteroidetes丰度降低。但不同株系小鼠之间，肠道菌构成也呈现出一定的变化（图A），其中相对丰度A.muciniphila的相对丰度在不同株系之间差距最大。
图1 113个近交系小鼠门水平的肠道微生物组成
2. 影响肠道菌群构成的遗传因素评估
在研究中发现，不同小鼠种系间肠道菌群的构成呈现种系特征。同种小鼠肠道菌构成较种间相比更为接近（图1B）。
3. 肠道菌与饮食反应的关系
本研究中基于高脂高糖饮食，不同小鼠产生了不同的反应：有的小鼠体质增加剧烈，有的则并无反应。利用AxB19和SWR小鼠展开交叉培养实验研究，发现造成这种差异性的一部分原因是由于肠道微生物构成的影响（图2）。
图2 AxB19和SWR小鼠交叉培养影响膳食反应
4. 肠道菌与代谢及心血管病特征的关联
既往研究中发现，Lachnospiracea科中的 Roseburia spp. 和 Ruminococcus gnavus 被认为与肥胖及双高饮食的代谢特征有关。本研究中得出的结论一致，并且认为A. muciniphila 与体脂及胰岛素水平相关。
5. 高脂高糖饮食小鼠中Akkermansia muciniphila可改善肥胖及代谢状况
为了验证因果关系，研究利用有肥胖倾向的AxB19小鼠（♂）灌喂活性或热灭活Akkermansia muciniphila菌。研究发现，在灌喂菌组中，小鼠的体重体脂等指征显著下降，血脂水平显示胆固醇及甘油三脂水平也显著下调，最明显的是个体呈现出的对胰岛素抵抗水平的变化，血糖及胰岛素水平也呈现显著下降（Fig.3 AB）。除了代谢特征的变化外，加入A. muciniphila菌的小鼠肠道菌构成也发生了变化（图3C）。
图3 高脂高糖饮食小鼠中Akkermansia muciniphila可改善肥胖及代谢状况
6. 利用GWAS方法分析影响小鼠肠道菌的基因因素
本研究中重点关注与临床意义关系密切的一些菌属，如Roseburia spp. 和 Ruminococcus gnavus 及A. muciniphila 等。在针对Roseburia spp.的研究中定位到15号染色体上一段2.6M的区域，该区域与双高饮食的皮下脂肪显著相关，参与先天免疫应答的Irak4表达与该菌种丰度相关（图4A; 图5）。Ruminococcus gnavus相关座位定位在19号染色体上，该菌的丰度与Osbp表达呈现负相关（图4B; 图5）。而与A. muciniphila 丰度相关的位点位于7号和2号染色体上（图4C; 图6）,该区域与甘油三酯水平及性腺脂肪相关。
图4 GWAS分析HMDP肠道微生物菌群
图5 15号染色体有丰富的Roseburia spp.基因位点
图6 与A. muciniphila 丰度相关的位点位于7号和2号染色体上
讨论
大量证据表明，肠道菌可以影响代谢状况。本研究中证实，饮食造成的不同变化与肠道菌构成之间有明确的相关性。基于高度近交系之间的关联，通过饮食反应与肠道菌构成的关系，本研究确定了一些可以影响饮食反应的候选微生物，进而确定了控制这些微生物相关的遗传位点信息。实验证据也表明，宿主遗传背景可以影响肠道菌的构成。肠道菌变化也与代谢特征的变化相关。研究中还利用高分辨率图谱确定了与微生物丰度相关的位点，为进一步研究宿主与微生物之间的相互关系提供详实的数据参考。
参考文献：
Org E, Parks B W, Joo J W J, et al. Genetic and environmental control of host-gut microbiota interactions[J]. Genome research, 2015, 25(10): 1558-1569.
