热点+热点，双样本也能发顶刊12.2分！肠道菌群和虚弱的关系
今天分享一篇来自北京大学第一医院的MR文章，关注肠道菌群和虚弱，使用连锁不平衡评分回归和MR评估遗传预测的肠道微生物组与虚弱之间的遗传相关性和因果关系。肠道菌群目前很火热，联合另一个研究热点虚弱，这是一个与衰老相关的临床综合症，与多种疾病的死亡风险密切相关。
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文章题目：Gut microbiome and frailty: insight from genetic correlation and mendelian randomization
DOI： 10.1080/19490976.2023.2282795
中文标题：肠道微生物组和虚弱：来自遗传相关性和孟德尔随机化的见解
发表杂志：Gut Microbes
影响因子：12.2
发表时间：2023年11月
论文亮点
本研究利用基因组关联研究（GWAS）的汇总数据，通过连锁不平衡得分回归（LDSC）和Mendelian随机化（MR）方法，探讨了肠道微生物组与虚弱（frailty）之间的遗传相关性和因果关系。研究发现，Christensenellaceae R-7与虚弱之间存在遗传相关性的提示性证据，并且通过至少两种MR方法发现12种属级的肠道微生物对虚弱具有提示性的因果效应。研究未发现水平多效性或异质性的证据。这些发现为若干遗传预测的肠道微生物与虚弱之间潜在的遗传相关性和因果关联提供了提示性证据，为未来探索肠道微生物在衰老过程中的作用及其作为干预和治疗虚弱的潜在靶点提供了参考。研究强调了需要更多的基于人群的观察性研究和动物实验来阐明这种关联及其背后的机制。
摘要
观察性研究表明，肠道微生物组与虚弱有关。然而，这些关联是否是因果关系的基础仍然未知。因此，本研究旨在使用连锁不平衡评分回归 （LDSC） 和孟德尔随机化 （MR） 评估遗传预测的肠道微生物组与虚弱之间的遗传相关性和因果关系。肠道微生物组的汇总统计数据来自 MiBioGen 联盟的全基因组关联研究 （GWAS） 荟萃分析 （N = 18,340）。虚弱的汇总统计数据来自GWAS荟萃分析，包括英国生物样本库和TwinGene（N = 175,226）。我们使用 LDSC 和 MR 分析来估计遗传预测的肠道微生物组与虚弱之间的遗传相关性和因果关系。我们的研究结果表明，Christensenellaceae R-7与虚弱之间存在暗示性的遗传相关性。此外，我们发现了使用至少两种MR方法的12个属水平肠道微生物对虚弱的暗示性因果效应的证据。MR分析中没有水平多效性或异质性的证据。这项研究为几种遗传预测的肠道微生物与虚弱之间潜在的遗传相关性和因果关系提供了提示性证据。需要更多基于人群的观察性研究和动物实验来阐明这种关联和潜在机制。
关键词：肠道微生物;脆弱;遗传相关;孟德尔随机化
介绍
虚弱是一种与衰老相关的临床综合征，主要表现为非特异性脆弱状态、多系统生理储备减少和对压力源的抵抗力降低1。虚弱是世界范围内一项重大的公共卫生挑战。最近一项涉及 62 个国家和地区的系统评价和荟萃分析表明，老年人身体虚弱的综合患病率为 12%2。虚弱的普遍存在给老年人、家庭和社会带来了沉重的负担。多项荟萃分析表明，虚弱与心血管疾病 （CVD）、癌症和呼吸系统疾病导致的全因死亡、特定原因死亡率的风险增加有关3-5。此外，体弱还增加了老年人的医疗费用6，导致灾难性的卫生支出7。日本最近的一项模拟预测研究表明，到 2043 年，估计将有 970 亿美元用于虚弱护理8。然而，目前尚无预防和治疗虚弱的特效药物，营养干预等非药物干预仍是预防和治疗虚弱的主要手段之一9。
尽管虚弱的病理生理机制尚未完全阐明，但目前的研究将炎症确定为核心机制之一10,11。近年来，关于消化道炎症起源的新假设，尤其是肠道稳态失衡，引起了学术界的关注12。先前的研究表明，肠道生态失衡会导致肠道微生物群向致病菌的转化和微生物多样性的减少13，从而增加粘膜屏障的通透性，使细菌及其产物通过肠道进入人体，导致全身炎症14-16。因此，可以推断肠道微生物群可能与虚弱有关。一些观察性研究初步探讨了这种关系。一项针对韩国老年人的横断面研究发现，虚弱评分与拟杆菌呈正相关，与普雷沃氏菌 17 呈负相关。最近一项基于观察研究的系统评价和荟萃分析表明，体弱老年人肠道菌群的物种丰富度指数和物种多样性指数显著低于非虚弱老年人18。一项涉及 10 例对照组和一项队列研究的系统评价发现，与健康老年人相比，体弱的老年人肠道微生物群多样性降低，短链脂肪酸 （SCFA） 生产者丰度降低19。使用小鼠模型的研究还表明，与衰老相关疾病和肠道微生物群脆弱相关的变化涉及 SCFA 生产者的减少，例如阿克曼西亚 20-23。短链脂肪酸作为 DNA 和组蛋白的表观遗传修饰剂，可以参与调节与年龄相关的衰老相关的慢性低度炎症、肌肉流失、葡萄糖和脂质代谢以及其他虚弱的病理生理过程。
然而，需要注意的是，由于上述观察性研究无法推断因果关系的局限性，肠道菌群与虚弱之间是否存在因果关系仍不得而知。因此，对两者之间因果关系的探索需要深化。近年来，人们提出了基于全基因组关联研究（GWAS）的统计方法来估计性状之间的相关性和因果关系。连锁不平衡评分回归 （LDSC） 可以从 GWAS 汇总统计量中评估遗传相关性，并且不会因样本重叠而产生偏差26。此外，孟德尔随机化（MR）通过遗传变异的工具变量推断变量之间的因果关系，在医学领域引起了广泛的关注。由于基因型先于表型，并且等位基因在受孕时随机分配，因此使用遗传变异作为工具变量来估计因果关系可以避免测量偏倚、混杂偏倚和反向因果关系干扰27。因此，本研究使用 LDSC 和 MR 评估了遗传预测的肠道微生物组与虚弱之间的遗传相关性和因果关系。
材料和研究方法
研究设计
我们进行了 LDSC 和双样本 MR 来估计遗传预测的肠道微生物组与虚弱之间的遗传相关性和因果关系。研究设计的概述如图1所示（由Figdraw提供）。
数据源
与肠道微生物组相关的遗传变异是从 MiBioGen 联盟 28 发表的迄今为止发表的最大的 GWAS 荟萃分析中获得的。本研究协调了来自美国、加拿大、以色列、韩国、德国、丹麦、荷兰、比利时、瑞典、芬兰和英国的 24 个队列的 18,340 名参与者的 16S rRNA 基因测序图谱和基因分型数据。大多数参与者有欧洲血统（N = 13,266）。其中，属属的分类水平最低，鉴定出平均丰度高于1%的属131属（包括12个未知属）。
我们通过GWAS目录下载了GWAS的虚弱汇总统计统计数据。这项研究包括 175,226 名欧洲血统的个体（164,610 名 60-70 岁的英国生物样本库个体和 10,616 名 41-87 岁的瑞典 TwinGene 个体），并使用虚弱指数 （FI） 来衡量虚弱30。FI 结合了数十个参数，包括症状、体征、疾病状态和残疾，并反映了生命过程中潜在健康缺陷的积累。
遗传静脉注射
我们执行了一系列选择标准来筛选合格的遗传 IV：（1） 由于符合条件的 IV 数量低于全基因组显着性阈值 （p < 5 × 10-8） 非常少，根据以前的研究 28,29,32,33，选择了一个相对不那么严格的阈值 （p < 1 × 10-5） 来捕获潜在的可能富集的变体以进行关联并获得更全面的结果34。（2）我们进行了聚集程序（R2 <0.001，窗口大小= 10,000 kb），以排除强连锁不平衡（LD）中的变体并确保每个SNP的独立性。（3）排除次要等位基因频率为<0.01的SNP、等位基因不一致的模棱两可的SNP和回文SNP。（4） 我们应用 PhenoScanner35,36 搜索来识别与遗传 IV 相关的所有已知表型 （p < 5 × 10−8）。如果遗传 IV 与任何其他已知表型相关，则将其排除在随后的 MR 分析之外。我们还参考了迄今为止公布的最大GWAS，其中包括20种饮食习惯，如生蔬菜摄入量、新鲜水果摄入量和油性鱼类摄入量等37。我们删除了与上述 20 种饮食习惯相关的遗传 IV。
统计分析
遗传相关性分析
我们使用 LDSC 估计了肠道微生物群与虚弱之间的遗传相关性 （rg）。根据HapMap3参考文献过滤GWAS汇总统计量。排除非 SNP 的变异（例如插入缺失）和链模棱两可、重复且具有次要等位基因频率 （MAF） <0.01 的 SNP。LDSC 检查了测试统计量与连锁不平衡之间的关联，以量化真正的多基因信号或偏差对通货膨胀的贡献38。这种方法可以从GWAS汇总统计中评估遗传相关性，并且不会因样本重叠而产生偏差26。特征 1 中每个变体的 z 分数乘以特征 2 中每个变体的 z 分数。通过将该产品与 LD 评分进行回归来估计遗传协方差39。通过SNP-遗传力归一化的遗传协方差表示遗传相关性。p < 0.0004（0.05/119，严格Bonferroni校正后）被认为具有统计学意义。0.0004 < p < 0.05 被认为是潜在遗传相关性的提示性证据。
MR分析
在 MR 分析之前，我们计算了微生物组 IV 的 F 统计量，以确定是否存在弱 IV 偏倚40。F 统计量 <10 表示弱 IV 偏倚41。F 统计量的公式如图 2 所示。
在这项研究中，我们使用五种方法探讨了肠道微生物组与虚弱之间的因果关系：逆方差加权 （IVW）、MR-Egger、加权中位数、加权模式和稳健调整概况评分 （RAPS）。当所有选定的 SNP 都是有效的 IVs42 时，IVW 方法被认为是估计因果效应的最准确和最强大的方法。
肠道微生物组在几种方法中对虚弱的一致偶然影响可能更可靠33,43。在我们的研究中，在至少两种分析方法中，调整后的 p < 0.0004（0.05/119，严格 Bonferroni 校正后）的因果效应被认为是显着的。在至少两种分析方法中，0.0004 < p < 0.05 被认为是潜在因果关系的提示性证据。我们应用MR-Egger方法检测水平多效性44。如果存在多效性，则分析产生 p < 的截止0.05. 采用Cochran Q检验评估异质性。使用 MR-PRESSO 方法评估异常值变体和潜在的水平多效性45。我们在此基础上消除了异常值。
所有统计分析均使用 LDSC 版本 1.0.1、“TwoSampleMR”包27 和 R 版本 4.2.0 中的“MR-PRESSO”包进行。
结果
LDSC回归分析
我们进行了LDSC回归分析，以评估119种属水平肠道微生物与虚弱之间的遗传相关性。由于遗传力低和样本量大等局限性，部分属不能用于上述分析。最后，我们得到了61个属与脆弱性之间遗传相关性的估计。如表1和图3所示，LDSC显示Christensenellaceae R-7与虚弱之间存在提示性相关性（rg= −0.212，p = 0.047）。有关所有遗传相关结果的详细信息列于表S1中。
MR分析
根据筛选标准，筛选出1132个SNPs作为IVs，用于119个属水平的肠道微生物。 所有选定 IV 的 F 统计量均> 10，表明弱仪器偏倚的可能性很小。所有选定的IV的详细信息显示在表S2中。在至少两种MR方法中，检查了12个属水平的肠道微生物，使其与虚弱有暗示性关联（表2 和 图4,5,6）。散点图显示了SNP对12个属水平肠道微生物的影响与SNP对虚弱的影响的关联。表S3列出了119个属与脆弱性之间因果关系的估计结果。
敏感性分析
通过对散点图的目视检查，发现反刍真杆菌、Akkermansia、Butyrivibrio、Defluviitaleaceae UCG-011、瘤胃球菌 1 和艾里森菌的 IV 存在潜在的异常值。然而，根据径向MR-Egger截距和MR-PRESSO全局测试的结果，没有水平多效性的证据（表S5）。此外，在Cochran’s Q检验中没有发现显著的异质性（表S4）。
讨论
据我们所知，这是第一项通过使用GWAS汇总统计来探索肠道微生物与虚弱之间的遗传相关性和潜在因果关系的研究。我们的研究结果表明，Christensenellaceae R-7与虚弱之间存在暗示性的遗传相关性。此外，我们在 MR 分析中发现了 12 种属级肠道微生物对虚弱的暗示性因果效应的证据。这些结果将有助于我们进一步探索肠道微生物在衰老中的作用，并为未来干预措施和潜在治疗靶点的开发提供参考。
已知前前列腺素真杆菌与胆固醇代谢有关46。早期的动物实验发现，喂食前前列腺素真杆菌可显着降低小鼠47和兔子48的血液胆固醇浓度。最近在小鼠中进行的一项干预实验还发现，补充仙人掌、可和家芥的混合物可增加肥胖小鼠前前列腺素真杆菌的丰度，从而降低血清胆固醇水平49。同时，一项基于英国生物样本库的大规模研究发现，总脂蛋白、低密度脂蛋白 （LDL） 和高密度脂蛋白 （LDL） 水平较低 ，脂蛋白 （HDL） 胆固醇与较高的虚弱患病率相关50。由此可以推断，前前列腺素真杆菌的丰度越高，胆固醇水平可能越低，这可能会增加虚弱的风险。然而，值得注意的是，目前还没有足够的证据支持前前列腺素真杆菌与降低人类血液胆固醇浓度之间的关联。考虑到人类与兔子和小鼠等动物之间的种族差异，未来的研究需要进一步探索真杆菌前前列腺素对虚弱的积极影响是否是由人类受试者的胆固醇浓度介导的。
Allisonella 与绝经后妇女的骨矿物质密度和骨代谢指标降低有关51。此外，它在炎症指数高的个体中更为丰富52。白细胞介素 6 （IL-6） 和肿瘤坏死因子-α （TNF-α） 已被公认为虚弱的生物标志物53,54。Allisonella的促炎特性 似乎是其与虚弱的暗示性联系的可能解释。此外，这项研究发现，较高的双歧杆菌丰度可能会增加虚弱的风险，类似于之前的观察性研究18。双歧杆菌被认为是一种生理上有益的细菌，可以维持肠道稳态，调节免疫功能，减少有害细菌的生长55。令人惊讶的是，在帕金森氏症患者56和体弱的老年人18中都发现了双歧杆菌的丰度增加。先前的一项病例对照研究还发现，活动性炎症性肠患者中双歧杆菌的比例明显高于健康对照组57。鉴于目前缺乏直接证据，未来有必要进一步探索双歧杆菌与虚弱之间的关系。
此外，研究人员使用Illumina MiSeq测序分析了29名受试者的肠道微生物群特征，发现丰度糖尿病前期组的霍华德氏菌显著高于健康受试者58。最近的研究指出，糖尿病和伴随的葡萄糖稳态受损和营养敏感失调参与与衰老代谢相关的途径，这可能会削弱生理储备并导致虚弱59。这可能是霍华德氏菌与虚弱之间暗示性关联的潜在机制之一。一项针对 85 名社区居住的成年人的研究表明，由瘤胃球菌、Eggerthela 和Coprobacillus 与虚弱指数呈正相关，并且在校正体重指数 （BMI）、受试者年龄、抗生素使用和其他混杂因素后，这种关联仍然很强60。另一项研究报告称， 瘤胃球菌 1 与老年男性调整后的体重较低有关61.这进一步意味着 瘤胃球菌 1 与其他有毒共生体之间的合作可能参与慢性炎症 62 以及随后加速衰老过程和虚弱轨迹 60。
除了上述五个肠道微生物群外，我们还确定了六个可能与降低虚弱风险相关的属。第一个是反刍真杆菌。之前一项涉及 27 名住院老年患者的研究表明，虚弱参与者的反刍真杆菌丰度低于非虚弱组63。第二个是Akkermansia。在患有肌肉减少症的慢性肾病患者中，Akkermansia 属的相对丰度较高64，在患有虚弱的社区居住老年人中较高65，但在患有肌肉减少症的肝硬化患者中较低66。尽管少数基于人群的研究结果不一致，但 MR 结果表明 Akkermansia 可能对虚弱有潜在的负面影响。这些进一步支持了以前的动物实验21,22。第三个是Butyrivibrio。目前还没有观察性研究发现丁霉菌与虚弱之间存在关联。然而，最近的一项队列研究发现，Butyrivibrio 丰度的增加与老年人胰岛素状态的 1 年改善有关心血管风险高的地中海人群。67 一般而言， 反刍真杆菌、Akkermansia和Butyrivibrio被认为是新一代“可能有用的微生物”，具有产生短链脂肪酸的能力。短链脂肪酸可以通过以下方式预防或缓解虚弱：首先，它们调节免疫细胞的分化、募集和活化，并减少炎性细胞因子的分泌，发挥抗炎作用。其次，它们通过影响参与神经炎症的小胶质细胞和小胶质细胞相关激活的完整性，诱导胰高血糖素样肽 1 （GLP1） 和肽 YY （PYY） 的分泌来促进认知功能。第三，它们调节肌肉蛋白质的合成和降解，以维持肌肉质量和功能。此外，它们介导核红细胞 2 相关因子 2 （Nrf2） 相关途径，可以减少氧化和线粒体应激以延缓衰老。
我们发现，较高的连环杆菌丰度可能与较低的虚弱风险有关。最近一项针对慢性肝病患者的研究发现，肌少症组中连环杆菌的丰度较低76。然而，其他研究尚未获得如此显着的结果77。作为一种革兰氏阳性厌氧菌78，连环杆菌通常具有促炎特性，在肥胖症和传染病中含量很高79,80。然而，我们的研究表明，虚弱似乎与较低的虚弱风险有关。这一发现可能需要在实验研究中进一步验证，因为只有四个工具变量可能具有隐性关联。
我们还发现，较高丰度的Christensenellacea R-7与较低的虚弱风险之间存在提示性的遗传相关性和因果关系，这进一步证实了先前观察性研究的结果。一项包括 35 名 70 岁以上的意大利社区居民的横断面研究报告称，身体虚弱和肌肉减少症 （PF&S） 组中 Christensenellaceae 的丰度显着低于非 PF&S 组81。在对百岁老人肠道微生物组特征的研究中，它似乎逐渐被确定为长寿的潜在生物标志物82,83。与年龄相关的脂肪组织功能障碍可导致免疫细胞浸润、促炎细胞因子和趋化因子的分泌以及衰老相关分泌表型增加84。由上述病理生理变化引起的慢性低度炎症、胰岛素抵抗、代谢紊乱和脂肪组织的重新分布被认为是虚弱的核心过程85,86。作为一种产生丁酸盐的细菌，Christensenellaceae R-7 与降低胰岛素抵抗87、减少内脏脂肪组织堆积、免疫调节和改善代谢健康有关88。这似乎是其对虚弱的暗示性因果效应的潜在机制。
最后，较高的 Defluviitaleaceae UCG-011 丰度可能与较低的虚弱风险有关。之前的一项研究发现，在对高脂肪饮食诱导的认知障碍小鼠进行饮食干预后，Defluviitaleaceae UCG-011的丰度增加89。在对慢性轻度应激引起的抑郁症和认知能力下降的小鼠进行草药干预后，Defluviitaleaceae UCG-011的丰度也增加了90。这意味着 Defluviitaleaceae UCG-011 可能作为肠脑轴的一个组成部分参与认知功能的保护。
然而，这项研究有一些局限性。首先，肠道微生物组可能受到人口统计学因素、饮食或药物等的影响。它们中的大多数具有异质性、个体间变异性和低遗传力（代表遗传学解释的变异性），这降低了结果的统计功效和稳健性。其次，尽管GWAS对肠道微生物组的荟萃分析中的大多数个体都是欧洲血统，但仍有可能受到来自其他种族的少数参与者的干扰，这可能会导致最小的偏差并影响结果的普遍性。此外，为了获得更全面的结果并进行水平多效性检测和敏感性分析，选定的遗传IV没有达到传统的GWAS显著性阈值（p < 5×10−8），这可能会增加假阳性的可能性。
结论
总之，这项研究为遗传预测的 Christensenellaceae R-7 与虚弱之间存在提示性遗传相关性提供了证据。此外，MR 分析表明遗传预测的 12 种属水平肠道微生物对虚弱的暗示性因果效应。
