编译：微科盟小木，编辑：微科盟小编、江舜尧。
导读
论文ID
原名：EnvironmentalfactorsshapingthegutmicrobiomeinaDutchpopulation
译名：环境因素塑造了荷兰人的肠道微生物群
期刊：Nature
IF：49.962
通讯作者：傅静远、R.K.Weersma＆A.Zhernakova
通讯作者单位：荷兰格罗宁根大学医学中心
DOI：10.1038/s41586-022-04567-7
实验设计
结果
1荷兰微生物组项目
在Lifelines中启动了荷兰微生物组项目(DMP)，这是一个来自荷兰北部的具有明确表型的三代人群队列和生物库。在DMP中，我们描述了8208名个体的肠道微生物群组成和功能(年龄范围8-84岁，57.4%为女性，99.5%为荷兰欧洲血统；其中4745名个体聚集在2756个家庭；图1a，补充表2d)。数据集(由Metaphlan2处理和HUMAnN2)包含1253个分类群(4界,21门,35纲,62目,128科,270属和733种)和564条代谢通路，其中包括257个古菌和细菌分类群以及277条相对丰度高于0.01且存在于超过5%的个体中的通路。
本研究的样本量使我们能够覆盖通过bootstrap分析估计的微生物功能特征总数的90%以上：574.4个(标准误差=4.2)中有564个预期的MetaCyc通路，190个(标准误差=0.05)中有190个(标准误差=0.05)毒力因子，303个(标准误差=0.03)中有303个(标准误差=0.03)抗生素耐药基因，136.5个(标准误差=2.7)中有128个(标准误差=2.7)科水平或更高水平的微生物分类群(图1b)。通过对队列进行二次抽样，我们估计，当至少对队列的40%(约3300个样本)进行采样时，这些微生物特征的存在率会变得相对稳定(在整个队列观察到的数量的90%以内)。然而，随着样本量的增加，发现的微生物物种数量持续增加，在2.5万份样本中，种群的总物种数量估计为600种(标准误差=27)，这表明还有其他稀有微生物物种未被发现(图1b，扩展数据图1)。肠道微生物群组成在种群中高度可变，例如拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度在5%-95%以上不等(扩展数据图2c)。与大多数菌门相比，最丰富的微生物通路的可变性明显降低(单侧F检验错误发现率(FDR)<0.05，扩展数据图2d，补充表2g)。
图1荷兰微生物组项目概述。
a，队列的图形摘要和可用元数据的概述(n=收集的变量数，N=样本量)。
2核心物种
为了找到对肠道生态系统的组织和维持可能至关重要的微生物物种和通路，我们调查了存在于超过95%的个体中的微生物分类群(指定这些核心微生物)和在微生物共丰度网络中形成中心节点的分类群(指定的关键特征)。我们确定了9个核心物种(Subdoligranulumsp.、Alistipesonderdonkii、Alistipesputredinis、Alistipesshahii、单形拟杆菌Bacteroidesuniformis、普通拟杆菌Bacteroidesvulgatus、直肠真杆菌Eubacteriumrectale、Faecalibacteriumprausnitzii和Oscillibactersp.)，它们与在英国、美国、欧洲和非西方地区发现的物种高度一致(补充表1a)。我们还确定了28个物种和53条通路作为潜在的关键特征，分别由超过109个和337个显著的共丰度定义(FDR<0.05)。由这些特征定义的网络显示出20.2%的物种重叠和25.3%通路重叠。
3Prevotellacopri定义集群
4同居胜过遗传力
之前已观察到其中一些分类群的遗传力。据报道，在对英国双胞胎的研究中，阿克曼氏菌(Akkermansia)和双歧杆菌(Bifidobacterium)以及梭菌目中的一些属是可遗传的，并且在加拿大人群基于家族的分析中报告了拟杆菌科成员的遗传力，包括拟杆菌属(Bacteroides)和副拟杆菌属(Parabacteroides)。我们的结果并没有复制这些研究中的一些可遗传分类群，这可能是由于所使用的技术(使用16S和宏基因组测序以及不同的DNA分离方法)或参考数据库的差异，即一些类群不在参考数据库中(如克里斯滕森菌科Christensenellaceae在Metaphlan2数据库中)，没有超过5%的存在阈值(Turicibacter)，或者由于存在率低而显示出非常低的遗传力检测能力(利用Metaphlan3数据库分析Christensenellaceae、Euryarchaeota)。
这些结果表明，整个微生物组的组成受到同居的显著影响，而遗传的作用较小，虽然少数微生物类群(如A.muciniphila、B.longum和Bacteriodaceae)具有显著的可遗传性并在不同群体间表现出一定程度的复制。但考虑到本研究队列(方法)的设置以及在几个分类群和通路上观察到的比较高的同居效应，我们对遗传力的估计可能会略微夸大。
图2遗传力及同居对肠道微生物群的影响。
a,20个可遗传物种。
b，前20条可遗传通路。**FDR<0.1时，可显著遗传的分类群；*具有名义上显著遗传力的分类群(P<0.05)。误差线显示遗传力的95%置信区间。a,b的结果是从1432个家庭的3571个不同个体中计算出来的。
c-e，成对微生物组距离比较。中心线是中位数，框限表示上、下四分位数，须表示1.5×四分位数范围，点表示异常值，轮廓显示数据的分布。通过将随机非同居组(n=2000)与同居伴侣(n=1710)、父母子女组(n=285)和兄弟姐妹组(n=144)(c)，随机配对(n=2000)与非同居父母子女组(n=301)和兄弟姐妹组(n=299)(d)以及随机配对(n=2000)与非同居一级亲属组(n=600)和同居一级亲属对(n=429)(e)的微生物物种进行比较来计算Bray-Curtis相异度，在c-e中，**FDR<1.0×10-5，*FDR<0.05(基于Wilcoxon检验，双侧)。
5关联概述
然后，我们探索了微生物特征与241项测量指标的关系，包括技术因素、人体测量、早期和当前暴露、饮食、自我报告的疾病和药物使用、医学测量和社会经济(扩展数据图5)。这些表型解释了12.9%的微生物组分类组成和16.3%的微生物组功能，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(图3b，补充表4a-c)。
图3微生物-表型关联。
b，在多变量PERMANOVA分析中，表型组解释了微生物组组成和功能的差异。NDVI，标准化植被指数；PWY，通路。
6健康和不健康微生物的定义
最后，我们计算了最近开发的肠道微生物组健康指数(GMHI)，发现健康个体和疾病个体之间存在显著差异(P=6.16×10-22；扩展数据图6)。我们的健康微生物组特征在属或种水平上复制了50个GMHI特征中的43个(补充表10)。此外，我们确定了GMHI研究中未发现的55种微生物组-健康关联，包括来自丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、阿克曼氏菌(Akkermansia)和普雷沃菌属(Prevotella)的物种(补充表3b,10)，这些物种此前与胃肠道疾病有关，但与其他疾病无关。
图4健康和疾病的微生物组特征。
7微生物组反映疾病和治疗
8儿童期与成年期微生物组有关
农村童年环境与各种细菌的增加有关，包括P.copri、F.prausnitzii、Rothiamucilaginosa以及来自双歧杆菌属(Bifidobacterium)和Mitsuokella的物种，它们的丰度也与总体健康状况的增加有关。相比之下，在城市童年环境的参与者中，拟杆菌属、Alistipes和Biophila的多个物种的丰度降低。
9暴露体与肠道微生物组有关
本研究确定了20种饮食因素和82个物种之间的378种关联(补充表3b)。在食物频率问卷(FFQ)收集和粪便采样之间的5年期间，饮食也相对稳定，代表主要饮食项目和饮食趋势的30个FFQ项目在测量中保留超过95%，其余项目保留超过50%(补充表8，补充讨论)。
讨论
未报告疾病或药物使用的人群参与者中存在疾病样微生物组特征，表明人群中存在临床前隐性疾病，并表明肠道菌群失调可能先于慢性疾病(如T2D)的临床发作。虽然这一假设需要对长期纵向队列进行实验验证或分析，但我们的观察结果表明，肠道微生物群可用于监测长期健康状况并检测临床前阶段的疾病。
本研究发现，儿童时期接触吸烟、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大小低于当前暴露，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，而且微生物组反映了个体的暴露史。我们的发现进一步支持了这一点，即曾吸烟者仍然显示出与当前吸烟者相似的微生物组关联，尽管影响较小。
测量了241种广泛的表型，但我们只能解释大约15%的微生物组组成和功能的个体间变异，这与之前的大规模研究一致。这意味着肠道微生物组是高度个体化的，包含可能难以从数据中的人工制品中分离出来的稀有类群，而且我们目前对塑造肠道微生物组的因素的理解仍然有限。这种低解释力也可能反映了以数据库为中心的微生物组分类的使用，这种分类在促进研究标准化和低假阳性率的同时，排除了对未分类微生物的识别。未来可能通过基于组装和独立于数据库的方法和纵向研究来量化“缺失变异”，这将在微生物组靶向诊断和治疗的开发中发挥关键作用。
结论
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