Nature Genetics: 宿主基因影响肠道微生物

导读

宿主遗传影响肠道微生物组。Goodrich等发现同卵双胞胎的微生物群比异卵双胞胎更相似，并且找到了一些受宿主遗传影响的微生物分类单元。人和动物中的微生物研究也提出影响微生物群结构的候选基因。最近HMP从全基因组水平报道了宿主遗传和微生物组之间的关联。但是，这个研究样本量很小（n=93），而且也没有彻底的矫正饮食等干扰因素。本文作者利用大样本系统的报道了肠道微生物和宿主的GWAS的研究结果。样本来源于同一个地方的两个独立人群，共1812人（含SNP数据的人数）。该研究用SNP数据，16s和shotgun宏基因组测序等数据进行了宿主基因型，以及饮食等其他环境因子对个体间肠道微生物组变异影响的研究。

文献

题目：Genome-wide association analysis identifies variation in vitamin D receptor and other host factors influencing the gut microbiota
译名：全基因组关联分析发现VDR基因突变和宿主因素影响肠道微生物群
期刊：Nature Genetics
时间：2016
单位：德国马克思普朗克进化生物学研究所

研究成果

1. 为关联分析确定协变量

用到的数据有（PopGen + FoCus，n=2029）的性别、年龄、吸烟、BMI、营养（蛋白、糖等）、饮食（蔬菜、水果等）表型数据和16s rRNA 扩增子测序数据。文章用表型数据和菌群β多样性进行关联分析（R envfit function），
得到每个表型的effect size（r2）和p值，如下表格。文章还综合分析变量组合来确定代表性协变量（R bioenv function）。最终确定“性别、吸烟、年龄、BMI”和变量组合“水、酒精、总能量”这7个变量为SNP VS 微生物组关联分析的协变量。

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Var	r2	p
Gender	1.74%	1.00E-04
Active Smoking	2.14%	1.00E-04
Age	3.79%	1.00E-04
BMI	4.74%	1.00E-04
Nutrients	7.22%	\
FoodGroup	11.06%	\

2. 关联分析：SNP VS 微生物组

2.1 两种微生物表型关联分析

文章用菌群β多样性和分类单元丰度作为微生物群的表型，分别和（PopGen + FoCus，n=1812）的SNP芯片数据进行关联分析。基于β多样性的分析（R envfit function）发现了42个位点达到全基因组水平显著，effect size：0.65%-0.97%，累计：10.43%，如图。其中有21个位点在独立样本中得到验证（FoCus obesity，n=371）。用分类单元以及OTU和SNPs进行关联分析（GLM），发现了40个位点和22个细菌分类达到全基因组显著水平。

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2.2 关联分析结果验证

已报道的肠道微生物组成相关的宿主遗传研究大多是用老鼠进行的。这些研究的环境因素和遗传背景容易被控制。为了进一步验证发现，文章比较了自己的结果和已经发表的老鼠肠道微生物QTL研究的结果[ref.35,47-50]。作者发现自己的这些位点的同源基因有近一半已发表在小鼠QTL研究中。如下图,左：小鼠染色体，右：人染色体，内圈：同源基因，外圈：非同源，线条：同源关系，黑色：β多样性相关，蓝色：分类单元相关。

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3. VDR位点

3.1 发现VDR位点

在基于菌群β多样性的关联分析中，文章发现VDR位点rs7974353（p<5x10-8）,而且该位点在FoCus obesity人群中得到验证。

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3.2 VDR介绍

VDR编码的核转录因子能和视黄醇X受体（RXR）形成二聚体。该二聚体通过结合内源或外源的配体发挥一系列生理作用。除了vitamin D，细菌代谢物（如，次级胆汁酸）和食物代谢物（如，脂肪酸）都是通过VDR-RXR二聚体发挥作用。可见VDR和细菌以及人体代谢关系十分密切。

3.3 动物模型验证VDR

用已发表的Vdr-/-动物模型肠道微生物数据[ref.25]，发现VDR基因型effect size非常大为42%，即解释了42% β多样性变异（R envfit function）。从基因水平验证了VDR是影响肠道菌群结构非常关键的基因。

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3.4 微生物组 VS 代谢组

用（PopGen，n=551）的质谱测得的血清胆汁酸和脂肪酸数据分别和菌群β多样性和分类单元进行关联分析（GLM，LM）。发现脂肪酸arachidonic acid和β多样性显著相关，而且已知arachidonic acid能够结合VDR。还发现胆汁酸LCA和菌属Parabacteroides存在显著的关联，且已知LCA是VDR的配体，Parabacteroides参与胆汁酸代谢。等等。结果显示肠道菌群和人体代谢相关，也证明了VDR的重要性。

3.5 VDR VS 宏基因组

用（PopGen，n=122）的宏基因组测序得到的微生物gene family数据和VDR基因型进行关联分析（GLM）。发现两个显著胆汁酸相关的family：Bile acid transporter family和Bile acid 7-dehydroxylation protein。验证了宿主VDR和肠道菌群胆汁酸代谢存在联系。

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4. 基因集和组织富集分析

为了进一步讨论由SNP VS分类单元的关联在生物学功能上的意义，作者用DEPICT [ref.36]进行富集分析,如下表。值得注意的是，在基因集富集的结果中Response to vitamin, Response to vitamin D, Response to vitamin A, Digestive system都在top 20内，并且和前面的VDR以及代谢分析有联系。组织富集结果的top 20主要有digestive system, nervous system, cells（免疫相关）。这些微生物相关的宿主位点和代谢以及免疫存在联系，也说明数据的可靠性。

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结束语

本文找到了一些遗传性的和非遗传性的决定人类肠道微生物组成的因素，发现VDR位点的遗传变异显著影响微生物代谢。一些非遗传性变量，如饮食，对微生物组的影响程度和宿主遗传相当，可见在分析中控制这些干扰因素的重要性。文章也表明单个基因的作用是很小的，在以后的研究中需要足够的统计效能和样本量。本文为未来人 VS 微生物互作研究提供重要的框架。

首次发布于微信公众号：生信草堂