在开始和临床表现中 IBD患者遗传和肠道菌群的互作
在开始和临床表现中 IBD患者遗传和肠道菌群的互作
此前小安已陆续为大家推送几篇菌群移植与炎症性肠病（IBD）相关研究的文献解读，今天小安将继续为大家带来该专题的文献解读（文章较长，此处需要耐心）
一、摘要
目的：IBD患者的临床特征差别很大，本文认为人体基因组和肠道微生物复杂的互作的不同会导致IBD在初期和临床表现上的差异。因此本文做了case-control分析，研究人体基因组、肠道菌群和临床表型三者之间的关系。
设计：收集313个IBD患者和582个健康人的粪便、外周血和广泛的临床数据（表型数据）。采用16s测序分析肠道菌群组成，利用基因上11个与IBD有关的遗传变异位点衡量遗传风险，这些基因与细菌有关，包括NOD2, CARD9, ATG16L1, IRGM and FUT2。
结果：本文发现了具有高度遗传风险的健康人其肠道菌群的显著变化：在健康人中，遗传风险值与罗斯氏菌属Roseburia丰度下降显著相关。此外，疾病发生位置是肠道菌群的重要决定因素：CD患者的肠道菌群与ileal CD的不同，ileal CD的α多样性较低。
结论：本文首次展示了与IBD相关的遗传变异可影响正常人的肠道菌群。Roseburia spp将醋酸盐转成丁酸盐，其在IBD患者中减少。
二、背景
IBD包括CD和UC，是肠道中的一种慢性炎症性疾病，CD患者的炎症可以发生在整个肠道中，而UC只发生在结肠粘膜层。IBD患者之间的临床特征区别很大，人们对产生如此迥异的临床表现的原因仍知之甚少。
IBD的发病机制包括遗传易感宿主对肠道菌群过量的免疫反应。
之前的研究显示，IBD患者肠道菌群多样性下降，其特征表现为，已知的有益菌丰度下降，如柔嫩梭菌Faecalibacterium prausnitzii,肠道罗斯氏菌 Roseburia intestinalis 和其他的产丁酸盐的细菌，而病原体和致病菌（ pathogens or pathobionts ）丰度升高，如粘膜侵袭性大肠杆菌adherent-invasive Escherichia coli，志贺氏菌Shigella。这些研究样品量相对较少，且选择的样品范围有限，因此之前的研究结果可能受样品选择方法的影响。此处，研究较多的是CD的微生物组成，UC的则研究的比较少，而将肠道菌群和IBD的临床特征结合起来研究的则更少。
最近的也有研究开始揭开宿主遗传特征与肠道菌群的互作。特殊遗传变异和特殊细菌丰度之间的联系称为microbiotaQTLs。一项采用双胞胎来分析的研究发现Ruminococcaceae 和 Lachnospiraceae具有遗传性，它们能抑制丁酸盐的产生和乙酸往丁酸的转化。此外其他的研究也表明宿主的遗传性能影响肠道微生物，在IBD患者中，NOD2基因的变异与Enterobacteriaceae 科丰度的改变有关。
三、方法
本文认为不同IBD患者间巨大的差异很可能是由于个体之间宿主基因组和肠道微生物不同的复杂互作引起的。本文采用大规模的单中心病例对照分析single-centre case–control analysis CD和UC的luminal肠道微生物、宿主遗传性、临床表型。本研究从同一家医院收集了313份IBD患者的粪便，和582份（从1174个人中筛选出来）该地区健康人的粪便。
四、结果
（一）患者和健康人的临床特征
在313位患者（包括188位CD患者，107位UC患者，18位中级和未明确的IBD患者）和582位健康人中，CD患者比健康人年轻，UC与健康人年龄上相差不大。在取样期间，81位患者处于疾病活跃期，23.7%的患者在最后3个月内有使用抗生素，患者使用PPI质子泵抑制剂比健康人更频繁。
（二）患者和健康人肠道菌群的整体比较
菌群特征
患者和健康人都是厚壁菌门Firmicutes 占多数（分别占了73%和75%），接著是Actinobacteria（9%和13%）和Bacterioidetes（14%和8%），梭菌纲是占最多的纲，分别达到64%和68%
α多样性（shannon index）
主坐标分析
在PCoA分析中，健康人的样品聚集在一起，而IBD患者具有更大的不同。
（三）IBD的遗传风险变异与肠道菌群变化呈负相关
在健康人的unweighted分析中，更多的IBD风险等位基因与Roseburia属的降低有关，而在患者中，不论哪种类型，单遗传风险变异、HLA-DRB1*01:03单倍体，遗传风险等位基因 weighted 或 unweighted综合得分都没有显著性影响肠道菌群组成。
（四）CD和UC患者中的失调：新的发现
CD
与健康人比较，69个taxa有显著性变化：Bacteroidetes、Proteobacteria升高、Actinobacteria、Tenericutes降低；Bacteroidetes 门中 order Bacteroidales目 和 Parabacteroides 属 （ Porphyromonadaceae 科）升高；Firmicutes 厚壁菌门中order Clostridiales的一些科降低：Mogibacteriaceae, Christensenellaceae, Clostridiaceae, Dehalobacteriaceae, Peptococcaceae, Peptostreptococcaceae 和 Ruminococcaceae；Proteobacteria 门中的Enterobacteriaceae升高；Bifidobacterium, Ruminococcus 和 Faecalibacterium也降低了。
UC
UC患者中，与健康人相比有38个taxa发生显著性改变，与CD一样，Bacteroidetes、Proteobacteria升高，而厚壁菌门则降低；Bacteroidetes门中，Bacteroidales目，Rikenellaceae科和Bacteroides属升高； order Clostridiales of the phylum Firmicutes，梭菌目中的Lachnobacterium 和 Roseburia属升高。
疾病发生位置是肠道菌群主要的决定因素
colonic disease（olonic CD and UC combined）和ileal disease，在PCoA图中，健康人和colonic disease样品之间有重叠，这也与α多样性结果相符合，ileal disease则较偏离健康人。PCoA结果说明肠道菌群组成与疾病位置有关，colonic CD患者和ileal CD患者的肠道菌群组成不同，α多样性也有类似的结论，colonic disease患者与健康人相比，α多样性无显著降低， ileal disease的α多样性则显著性降低。遗传风险与疾病发生位置的分析中显示，两者之间关系不明显。
肠道菌群组成影响IBD疾病的活跃性
CD的临床HBI 值和UC的SCCAI 值，所有IBD的CRP和calprotectin水平，
CD患者中，高的HBI 值与Enterobacteriaceae科的增加有关，肠道菌群和UC的SCCAI 值没有显著性相关。CRP和钙卫蛋白与肠道菌群丰度改变也没有显著性相关。
肠道菌群组成影响IBD疾病的持续时间
疾病持续更久，Proteobacteria丰度更高。
IBD患者 Pathway 预测和肠道菌群功能改变
与健康人群相比，在 IBD，CD，UC，ileal CD, ileocolonic CD 和colonic CD之间，多种代谢通路包括butyrate metabolism, endotoxin metabolism and antibiotic resistance pathways。IBD患者的短链脂肪酸代谢能力下降，（CD和UC中propanoate 丙酸盐代谢降低，CD中丁酸盐代谢降低，butyrate、propanoate 属于短链脂肪酸，CD的脂肪酸代谢降低）；Lipopolysaccharide or endotoxin 生物合成能力在CD和UC患者中都提高；代谢通路的升降与CD的HBI 值没有显著性关系。
五、结论
本文发现了健康人中 IBD易感基因和肠道菌群组成之间的关系，揭示了疾病部位对肠道菌群的影响，此外，本文还报道了微生物与多个IBD亚型之间的联系。
IBD的发生：健康人中，IBD遗传风险因子与促炎症反应肠道菌群改变相关
本文利用与肠道菌群相关的IBD风险变异构建风险评分
肠道菌群于肠道上皮细胞和宿主的免疫系统互作，最近的研究提出一种假设，肠道菌群与免疫系统的互作有两种方面：一是好的肠道菌群可以改善免疫应答，二是肠道免疫系统也能帮助好的肠道菌群的生长，以维持免疫-微生物之间的动态平衡。本研究可支持这样的假设：相关基因的变异与催化乙酸转成丁酸的Roseburia spp. 有关。
Roseburia intestinales是20种丰度最高的肠道微生物之一，IBD患者肠道菌群中的Roseburia spp.降低，一开始Roseburia spp.特异性的与粘蛋白结合，介导粘膜产生丁酸盐。产自于Clostridium clusters IV, VIII and XIVa （属于Roseburia spp.）的丁酸盐诱导Treg cells产生，从而阻止和改善肠道炎症。属于Roseburia spp.的Lachnospiraceae的丰度在同卵双胞胎中的相似性比在异卵双胞胎中高，此外，未患有CD的CD患者的兄弟姐妹，其Roseburia spp.也降低了。
携带IBD风险变异的健康个体可证明本文对IBD发生的理解：肠道免疫系统的遗传风险因子促使肠道』豢养』更多的的促炎症反应的肠道微生物，增加了IBD的患病风险，随后不利的肠道菌群扰动进一步破坏了免疫-微生物的动态平台，最终导致IBD的发生。
除了这11个明确功能的基因外，还做了200个与IBD有关、但功能位置的易感位点的遗传风险评估，这一分析无论在IBD患者还是健康人中，都没有统计学显著的结果产生。
CD和UC患者肠道菌群的失调
CD和UC分别有69个和38个taxa 丰度发生变化，与之前两项研究结果做了对比，发现在本研究中，Bacteroidetes门丰度在CD和UC中都升高了，Bacteroidetes的增加也在IBS患者中发现。由于之前IBD研究的对照组中，也有一些功能性肠胃病（如IBS），这会对IBD患者和对照组的Bacteroidetes 比较造成困扰，覆盖掉IBD中一些有显著性的富集。
Bacteroidetes 门中的Bacteroides在UC患者中增加，在一些动物研究中有提到Bacteroides spp 涉及到IBD的发病机制。NOD2敲除的小鼠，小肠中的炎症响应增大于Bacteroides vulgatus有关。
之前研究报道Streptococcaceae, Micrococcaceae and Veillonellaceae,丰度增加与IBD有关，在本研究中与PPI有关，IBD患者会使用过量的PPI。因为之前的研究未涉及到PPI的使用，本文认为这些物种的改变错误地与IBD联系在了一起。
Tenericutes门的降低与UC有关。
疾病发生位置是IBD肠道菌群构成的主要决定因素
PCoA的分析显示，colonic CD患者的肠道菌群与UC患者的更相似，而不是与ileal CD患者的更相似，结合之前IBD的宏基因组研究结论，本文认为可将这一聚类结果与病灶位置联系起来。病灶位置的重要性也与之前宿主遗传学研究结果相符，colonic CD的遗传风险性介于UC 和 ileal CD之间。虽然，本文发现肠道菌群的组成可以反应IBD患病位置的不同，但在本文的研究群体中遗传风险变异未能与疾病位置有关。不过，colonic CD和UC在临床表现上有很多相似的地方，比如colonic CD发展成结直肠癌的风险与UC类似，但与 ileal CD不同。这些结果清楚地表明，在IBD中， colonic CD和ileal CD是不同的疾病。
得益于仔细的筛选健康组和标准化粪便样品，大量的表型和基因型，本研究成功地分析并对肠道微生物在IBD表型中重要的作用有了深入了解。本研究第一次发现了在IBD发生初始肠道菌群的作用：具有高遗传风险的健康个体，其肠道菌群结构也发生了不利的改变，这一关系的发现为进一步的研究提供了基础：不仅可以作为潜在的治疗靶点，也为具有遗传易感性的人群及其家人预防IBD提供了可能。
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