科研 | Cell Reports：肥胖患者血浆和粪便胆汁酸的遗传和微生物相关性与血脂和肝脏脂肪含量有关
编译：Dr. he，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
肥胖症在全球范围内变得越来越普遍，并且与胰岛素抵抗、高血压、高脂血症和非酒精性脂肪肝疾病的发展有关，这些疾病统称为代谢综合征。胆汁酸（Bile acids, BAs）与法尼醇X受体(Farnesoid X receptor, FXR)和Takeda G蛋白偶联受体5（Takeda G protein-coupled receptor 5, TGR5）结合显示出的多种效应信号，被证明与肥胖症的发生密切相关。这项研究对297例肥胖患者的血浆和粪便胆汁酸水平及血浆7α-羟基-4-胆固醇烯-3-酮（C4）进行了分析，确定了其潜在的遗传和微生物决定因素，并建立了与肝脏脂肪和血脂参数的BA相关性。C4的水平反映了肝脏BA的合成能力，血浆BA水平反映了肠肝循环中的转运和代谢。本研究揭示了肥胖个体BAs的遗传和微生物决定因素，以及它们与疾病相关的脂质参数的关系，这些参数对于设计针对BA信号通路的个性化疗法非常重要。
论文ID
实验设计
结果
1 血浆BAs定量图显示出较大的变异性，但与粪便内基本一致
我们评估了分别从300-OB队列的297位和276位参与者收集的空腹血浆和粪便样本中个体BA的浓度、血浆C4水平和胆固醇，二氢胆固醇和coprostanol的粪便浓度也被定量。这共同导致了58个与BA相关的实体的定义。在这项研究中，我们将分析仅限于可以在10％以上的个体中确定的54个BA实体。血浆和粪便中BA的浓度和成分在该人群中显示出明显的个体间差异（图1A和1B ）。总血浆BA浓度范围为0.08至13.56μM（图1A），其变异性与健康受试者中观察到的相似，而粪便中BA的浓度范围为0.72至69.08μmol/ g（干重）。共有14个BA实体显示出男女之间的显着差异（例如，血浆中牛磺酸与甘氨酸偶联的BA的比例），但未发现与年龄有显着相关性，可能与该队列的相对较小年龄范围（54至81岁）有关。
图1 空腹血浆和粪便BA实体的资料显示300 OB队列中个体之间的较大差异和适度一致性（A）个体受试者的空腹血浆（n = 297）和粪便（n = 276）BA的浓度。（B）空腹血浆（n = 297）和粪便（n = 276）BA在个别受试者中的比例。每个条形图代表一个人，上面板和下面板的顺序相同。颜色代表不同的BA。白色条表示缺少的粪便样本。分别在21％和1.5％的受试者的粪便中可少量检测到UDCA和猪去氧胆酸，这两个BA均未包括在图中。（C）血浆和粪便BA实体之间的Spearman相关性（n = 276）。FDR <0.05时，星代表显着相关性。点表示p <0.05时具有显着的相关性。（D）血浆C4和粪便中总BA之间的Spearman相关性（n = 276）。（E）血浆（n = 297）和粪便（n = 276）中次要/主要BA比值之间的Spearman相关性。
2 BAs的遗传决定因素
通过对54个BA实体进行定量性状基因座（QTL）定位，在控制混杂因素（年龄，性别，BMI，疾病，药物和微生物组）后，我们确定了23个BA实体的27个独立的遗传学-BA关联。 14个血浆，9个粪便）在全基因组范围内的显着性水平p <5×10 -8（图2 A）。值得注意的是，转运蛋白基因Solute Carrier Family 35 Member C1（SLC35C1）的内含子变异体（rs2121703）编码一个胞苷二磷酸（CDP）-岩藻糖转运蛋白，可调节Wnt信号传导，与DCA的血浆浓度有关（图2B）。转运蛋白基因溶质载体家族39成员A8的另一个基因间变体（rs1968543）（SLC39A8，基因间变体）与锌和锰的转运有关，与TDCA的血浆浓度有关（图2 C）。此外，发现四个锌指蛋白相关的遗传变异（ZFN569，ZFN250，ZFN706和JAZF1）与五个BA实体相关，尤其是粪便BA和胆固醇含量（图2 A；表S2）。例如，发现与JAZF1相关的内含子变体rs10255700与粪便胆固醇水平相关（表S2）。此外，我们观察到，编码人内向整流钾通道Kir2.1（KCNJ2）的基因间变体（rs55638783）与室性心律不齐相关的脂质门控离子通道相关。血浆TDCA的浓度和比例（图2A ；表S2）。除了这些遗传决定因素外，我们还在63个已确认的编码酶，转运蛋白和转录因子的BA基因的基因座处检查了遗传变异（补充信息），发现p ＜1×10 -5的30个独立关联与其中14个关联基因（表S2）。例如，与LXRα（NR1H3）相关的两个独立的内含子变体rs7395581和rs10838681与血浆DCA和总二级BAs分别相关。与SLC10A2有关的基因间变体rs9586012（编码回肠顶端钠依赖性BA转运蛋白（ASBT））与粪便中的总初级BA和CDCA相关。观察到的BA实体的遗传决定因素凸显了在开发肥胖症中个性化BA治疗时考虑遗传背景差异的重要性。
图2 BA实体的遗传决定因素（A）曼哈顿图显示了在全基因组范围内的显着水平（p <5×10 -8）的27个独立的（LD r 2 <0.05，500 kb）遗传-BA-实体关联。LD块（100 kb）以红色或蓝色突出显示。图中给出了每个最高独立SNP的代表性基因。表S3给出了基因的名称及其拟议的功能。（B）SLC35C1内含子变体rs2121703与血浆DCA相关（n = 297）。箱线图显示了血浆DCA浓度的中位数以及第一和第三四分位数（第25和第75个百分位数）。上下晶须分别将最大和最小值扩展到不超过1.5×IQR。离群值是单独绘制的。（C）SLC39A8基因间变体rs1968543与血浆TDCA（n = 297）相关。箱线图显示血浆TDCA浓度的中位数以及第一和第三四分位数（第25和第75个百分位数）。上下晶须分别将最大和最小值扩展到不超过1.5×IQR。离群值是单独绘制的。
3 BA实体的微生物决定因素
接下来，着手确定与BA实体相关的微生物因子，并发现FDR <0.05的45个BA实体共有439 BA微生物相关性（图3 A）。特别地，44个BA实体与61个细菌种类相关（总共201个关联），30个BA实体与112个细菌途径相关的（总共238个关联；图S3）。检测了16个BA实体的遗传关联和微生物关联。因此，我们研究了BA基因座与肠道微生物组之间的关联，并观察到遗传学和微生物组可能在塑造BA实体中起附加作用。
图3 BA实体的微生物决定因素（A）FDR <0.05的201种微生物与BA的相关性涉及61种微生物和44种BA实体。（B）Ruminococcus sp_5_1_39BFAA基因组包含潜在的BA解偶联基因（g000664，从63705到64702 bp）。该基因编码的蛋白质的3D结构与BA解偶联酶胆酰甘氨酸水解酶显示出高度同源性（GMQE = 0.79）。（C）费氏杆状杆菌的丰富度与该物种的膜形成途径（CDP-二甘油甘油生物合成途径）的丰富度高度相关（Spearman相关性，n = 297）。使用HUMAnN2管线从宏基因组测序数据中生成CDP-二酰基甘油生物合成途径的丰度。（D）prausnitzii CDP-二酰甘油的生物合成途径与粪便异LCA浓度呈负相关（Spearman相关，n = 276）。
4 与肥胖相关疾病和药物相关的BA实体
据报道BA与肥胖相关疾病的病因有关，因此我们检查了BA实体是否与肝脏脂肪含量有关; 存在与肥胖有关的疾病，例如糖尿病，高血压和血脂异常；或调整年龄和性别后，使用其相应的药物（降糖，降压和降脂药物）。在FDR <0.05时，我们总共观察到18种与疾病的BA相关性和15种与药物的相关性（图4 A）。其中大多数起源于“细菌BA实体”之间的关系（次级BA，DCA，GDCA和TDCA总数），包括次级BA总数与肝脂肪含量之间的相关性（图4 B）和使用抗糖尿病药物的受试者中，继发性BAs与原发性BAs的比例更高（图4 C）。出乎意料的是，我们发现与其他BA实体相比，血浆CA和粪便LCA的比例与疾病和药物存在相反的关系（图4 A）。此外，我们检查了血浆和粪便中12α-OH/12α-非-OH BA比率与糖尿病以及肝脂肪含量之间的关系。我们可以证实以前的发现，血浆和粪便中12α-OH/12α-非-OH BA的比率均与糖尿病的存在呈正相关，而它们与肝脂肪含量的相关性在统计学上无统计学意义（p> 0.05）。
图4 与肥胖相关疾病和药物相关的BA实体（A）在FDR <0.05时鉴定出18种疾病-BA，15种药物-BA和111种代谢物-BA相关性。FDR <0.05时，星代表显着相关性。点表示p <0.05时具有显着的相关性。（B）血浆总次级BA与肝脂肪含量相关（Spearman相关，n = 267）。（C）降糖药物使用者（红色）和非糖尿病使用者（蓝色）之间血浆次生/主要BAs比率的差异（Wilcoxon测试，n = 297）。（D）血浆C4浓度与血浆总甘油三酸酯浓度相关（Spearman相关，n ＝ 297）。（E）血浆C4浓度与LDL颗粒的平均直径相关（Spearman相关，n = 297）。
5 与疾病相关的血浆代谢物与BA实体的联系
已证明BA和BA信号通路参与血浆脂质和脂蛋白水平的控制。因此，在调整了年龄和性别之后，我们检查了Nightingale核磁共振（NMR）平台测量的54个BA实体和225种代谢物之间的相关性，包括总血浆脂质浓度和14种脂蛋白亚类的相对组成，脂蛋白粒径，载脂蛋白，氨基酸和胆固醇。总体而言，在FDR <0.05时，我们观察到111种BA与88种血浆代谢物的相关性。有趣的是，BA实体与血浆代谢产物之间的相关性形成了四个不同的簇（图4）。大多数强相关性与含有甘油三酸酯的极低密度脂蛋白相关，其中48个与血浆C4水平呈正相关性（图4 A），表明肝BA合成起着重要作用肥胖受试者血浆甘油三酸酯水平的调节。这在图4D中示出，其显示了血浆C4和总甘油三酸酯浓度之间的关系。此外，我们观察到血浆C4与血浆胆固醇含量参数之间存在负相关关系（例如，LDL颗粒的中值直径，大LDL颗粒中游离胆固醇与总脂质的比率以及LDL颗粒的平均直径）；图4 E;表S5）。在FDR <0.05时，我们未观察到12α-OH/12α-非-OH BA比与血脂参数之间无显着相关性。综上，这些结果表明肥胖症中BA与脂质代谢之间存在密切联系。
讨论
本研究确定了BA实体与疾病相关的血浆脂蛋白特征之间的111个联系，这支持了BA在调节人类脂质代谢中的重要作用。血浆C4和甘油三酸酯水平之间的正相关与Gälman等人的结果一致。在435名年龄在20至89岁之间的健康志愿者中进行研究。此外，用稳定的同位素稀释法定量测定的肝BA合成诱导与BA多价螯合剂考司维仑治疗的肥胖受试者的血浆甘油三酯水平呈线性关系。相反，已发现某些形式的家族性高甘油三酯血症的特征是高BA合成，这可能是由于肠道BA重吸收的先天缺陷所致，而用CDCA抑制内源性BA合成的治疗已被证明具有一定的特征。降低高甘油三酸酯血症受试者的血浆甘油三酸酯。有趣的是，我们发现禁食C4与大小不同的含甘油三酸酯的VLDL正相关，这表明这种关系源自VLDL的生产过程，而不是血浆中VLDL脱脂级联反应的调节。在肥胖的受试者中已经观察到肝脏中VLDL的产生增加，这可能与肝胰岛素抵抗有关，但BAs本身也显示出抑制肝VLDL产生的过程。干扰FXR介导的肝脏新生脂肪生成的调节可能有助于这些作用。
揭示了遗传学和微生物组对人类肥胖中血浆和粪便BA实体的贡献。在血浆BA实体中观察到的惊人的个体间差异突出表明，在设计研究以评估针对BA信号通路的未来治疗策略时，应同时考虑遗传因素和微生物决定因素。特别是，在这些肥胖受试者中观察到微生物组继发BA实体与肝脂肪含量，糖尿病和高血压的广泛相关性，以及最近的报告将继发BA与肠道免疫联系起来，强调了微生物“第二基因组”在确定个人BA池的生物活性方面的重要性。此外，在肥胖受试者中血浆C4与循环中的含甘油三酸酯的脂蛋白和特定LDL特征的强相关性需要在NAFLD治疗中干扰人BA代谢时进行专门评估。实际上，与低合成率的受试者相比，初始BA合成率高（C4高）的受试者对血浆和肝脂质参数的药理学FXR激动剂的反应可能更明显。
你可能还喜欢