微生物组与肠道紊乱、代谢综合征和多种免疫疾病密切相关，研究人体内微生物组对疾病研究至关重要，受到研究者的广泛关注。2022年4月，荷兰格罗宁根大学医学中心傅静远教授团队在国际顶刊 Nature 杂志上发表了题为“Environmental factors shaping the gut microbiome in a Dutch population”的研究论文，该研究选用近万荷兰人样本，将宏基因组测序结果与多种宿主和环境因素进行关联分析，全面概述了肠道微生物组，揭示了遗传、同居等多种因素对肠道微生物组的影响，这项研究将有利于微生物组靶向治疗的未来发展，其中诺禾致源为该研究提供了宏基因组测序服务。

文章介绍

Environmental factors shaping the gut microbiome in a Dutch population

环境因素塑造荷兰人的肠道微生物组

发表杂志：Nature

影响因子：69.504

发表时间：2022.4

发表单位：荷兰格罗宁根大学医学中心

DOI:10.1038/s41586-022-04567-7

研究方法

试验材料：8208名荷兰人及其粪便样本

测序方法：宏基因组测序

测序平台：HiSeq 2000

研究背景

肠道微生物与人类多种疾病相关，但目前健康和疾病微生物组的普遍特征尚未确定，有必要了解遗传、生存环境、生活方式和饮食等因素如何影响健康和疾病中的微生物组。该研究分析了8208个荷兰人肠道微生物组的细菌组成、功能、抗生素耐药性和毒力因素，并将这些数据与241个宿主及环境因素相关联，包括身心健康、药物使用、饮食、社会经济因素以及童年和目前的生活环境等。

研究结果

01荷兰微生物组项目

该研究对8208名荷兰人（一个来自荷兰北部具有明确表型的三代人口队列和生物库）的肠道微生物区系组成和功能进行了广泛研究，数据集(由Metaphlan2和HUMAnN2处理)包含1253个分类群(4个界，21个门，35个纲，62个目，128个科，270个属，733个种)和564条代谢通路，包括257个古细菌和细菌分类群以及277条相对丰度高于0.01且存在于5%以上个体中的代谢通路。

图1 荷兰微生物组计划概述

02 核心及关键物种

在该研究中，将超过95%的个体中都存在的微生物类群命名为“核心微生物”，在微生物共丰度网络中形成中心节点的分类群命名为“关键特征”。共确定9个核心物种(Subdoligranulum sp., Alistipes onderdonkii, Alistipes putredinis, Alistipes shahii, Bacteroides uniformis, Bacteroides vulgatus, Eubacterium rectale, Faecalibacterium prausnitzii and Oscillibacter sp)，这与在英国、美国、欧洲和非西方人群中的结果高度一致。这9种已确定的核心微生物中有5种(A. putredinis、A. shahii、F. prausnitzii、Oscillibacter sp.和Subdoligranulum sp.)也是关键物种，这意味着它们在荷兰人的肠道微生物系统中具有核心作用。

03普雷沃氏菌属决定微生物集群

使用主坐标分析(PCoA)对本研究队列中的微生物组数据进行聚类分析，发现第一个主坐标是由普雷沃氏菌属（Prevotella copri）决定的（Spearman r = 0.68, P value = 3.6 × 10^-180;图1c）。与前人研究结果一致，高丰度的P. copri与较低的肠易激综合征(IBS)风险相关，另外，P. copri与一般健康状况呈正相关关系。

04 同居胜过遗传力

该研究确定了17个可遗传类群(仅占测试类群的6.6%)(图2a），但在257个分类群中有125个(48.6%)受到同居的显著影响，同居史解释了22个类群(8.6%)的显著差异；且无论参与者的亲缘关系如何，同居参与者的微生物组比分开生活的参与者更相似，父母子女组、兄弟姐妹组和无亲缘关系伴侣组的微生物组比非同居参与者的微生物组更相似(图2c-e)。这表明同居对微生物组的影响显著高于遗传。

图2 同居对肠道微生物群落的遗传力和影响

05关联分析概述

探索了微生物特征与241项测量指标的相关性，包括技术因素、人体测量学、早期和当前生活环境、饮食、自我报告的疾病和药物使用、医学测量和社会经济学。这些表型解释了12.9%的微生物组组成和16.3%的微生物组功能差异，其中最大的贡献来自技术因素、粪便特征、疾病、药物使用和人体测量学(图3b）。

在β多样性个体间差异分析中，年龄、性别和BMI是最主要的表型，分别解释了0.6%、0.53%和0.32%的个体变异。Bristol粪便量表解释了最大比例的β多样性(R2=0.77%，FDR=0.012)，采样季节也解释了很大比例的变异(R2=0.36%，FDR=0.012)，共同强调了在微生物组研究中评估粪便一致性和收集时间框架效应的重要性。

图3 微生物组-表型关联

06健康和不健康微生物组的定义

在大多数疾病中观察到一致的微生物组-疾病模式(图4a)，能够确定不相关疾病之间共享的微生物组特征以及定义健康（即没有疾病）微生物组的特征。疾病共享的微生物组特征主要包括Anaerotruncus、Ruminococcus、Bacteroides、Holdemania、Flavonifractor、Eggerthella和Clostridium物种的增加以及Faecalibacterium、Bifidobacterium、Butyrivibrio、Subdoligranulum、Oxalobacter、Eubacterium和Roseburia的减少。在不相关的疾病中共享的肠道微生物通路主要包括l-鸟氨酸、泛醌和甲萘醌、肠杆菌共同抗原、Kdo-2-脂质-A和钼辅助因子的生物合成增加，以及氨基酸、脱氧核苷和核苷酸、厌氧能量代谢和发酵为短链脂肪酸（主要是丁酸）的生物合成减少。

图4 健康和疾病的微生物特征

07微生物组反映疾病和用药

观察到常见非传染性疾病的微生物组效应和用于治疗它们的药物具有高度的一致性。其中，质子泵抑制剂（PPIs）、抗生素、双胍类抗糖尿病药物、渗透性泻药和肠道抗炎药物的作用最强（在FDR <为0.05时，与微生物类群的关联分别为84、56、47和32）。疾病和相应药物的影响与微生物组有很高的一致性，表明不健康的肠道微生物组特征反映了疾病和相关药物使用。

08 童年与成人微生物组有关

研究了生命早期(小于4岁)因素对成人微生物组的影响。确定了106个与分类群的关联，30个与通路的关联，22个与抗生素耐药基因的关联，2个与毒性因子的关联(FDR<0.05)，表明童年生活环境与成人微生物组显著相关。农村的童年环境与各种细菌的增加有关，包括P. copri、F. prausnitzii、Rothia mucilaginosa以及Bifidobacterium和Mitsuokella，这些细菌丰度也与一般健康状况增加有关。相比之下，城市生存的儿童中，Bacteroides、Alistipes和Biophila属的多个物种丰度降低。

父母吸烟与他们孩子的微生物组有关（在FDR<0.05时，与分类群、代谢通路和CARDs分别有15、9和4个关联）。童年是否养宠物与成年后的微生物组有关（在FDR<0.05时有7个关联），在童年养宠物的参与者中，Alistipes finegoldii、Lactobacillus delbrueckii、Dialister和Bilophila物种减少。 

09 环境暴露与肠道微生物组有关

该研究发现主动吸烟与41个物种和84种通路有关（图3b），其中60%与吸烟史有关，表明吸烟具有长期影响。其中15种也与被动吸烟有关，这强调了在疾病风险模型中考虑被动吸烟的必要性。社会经济因素与肠道微生物组之间有220个关联，较高的收入与健康的微生物组特征相关。

童年时期接触吸烟、宠物和农村环境与成人微生物组有关。尽管这些关联的影响低于当前生存环境的影响，但影响方向和模式是一致的，这表明环境暴露可以产生长期影响。

文章亮点

该研究亮点在于样本队列大、年龄跨度大、数据收集标准化且全面，尤其是不光收集了当前环境数据，还收集了早期的暴露环境数据，追溯了童年环境因子对后期成年菌群的影响。全面阐述了荷兰人肠道微生物组特征，并得出：①微生物组是由环境和同居关系塑造的，且同居的影响大于遗传；②童年时期接触吸烟、宠物和农村环境与成人微生物组有关；③粪便类型、样本收集时间及DNA浓度和批次都与微生物组有关；④不同疾病具有共同微生物组特征且与共存病无关，不健康肠道菌群同时反映疾病和用药情况等多个研究结果，为未来微生物组定向干预提供了丰富资源。

参考文献：

[1] Gacesa R , Kurilshikov A , Vila A V , et al. Environmental factors shaping the gut microbiome in a Dutch population[J]. Nature, 2022(Apr.28 TN.7907):604.