英文題目： Associations between host gene expression, the mucosal microbiome, and clinical outcome in the pelvic pouch of patients with inflammatory bowel disease
期刊名：Genome Biology 影響因子：11.313
研究背景：
囊袋炎是潰瘍性結腸炎（UC）回腸袋肛管吻合手術（IPAA）后常見的并發(fā)癥，與炎癥性腸?。?/span>IBD）相似，宿主遺傳學和微生物也參與到其發(fā)病機制中。本研究對患有潰瘍性結腸炎（UC）和家族性腺瘤性息肉病（FAP）的IPAA患者配對活檢樣本進行宿主轉錄組和16S rRNA擴增子測序數(shù)據(jù)分析。
研究流程：
研究結果：
宿主上皮組織基因表達、腸組織菌群結構、隊列特征和臨床表型的多因素聯(lián)合分析模型
為了更好地了解IPAA手術（IPAA是一種能有效治療潰瘍性結腸炎的手術方式。它通過切除全部大腸以及部分肛管,再用回腸末端做成一個儲袋-當成新的直腸用,并與保留下來的肛門括約肌進行吻合，該術式在移除病灶的同時，又能保留正常的排便功能）后宿主和微生物之間的關系，我們在一個大型元數(shù)據(jù)豐富的橫斷面隊列中，利用微陣列和16S rRNA擴增子測序分別檢測了宿主基因表達和菌群結構，隊列包括265名患者（51%是女性），年齡在18-78歲之間（表1），手術治療的UC或FAP患者被納入其中，所有患者在活檢樣本收集前至少1年進行IPAA手術。根據(jù)臨床結果患者分為家族性腺瘤性息肉（FAP）、無結腸袋炎（NP）、急性結腸袋炎（AP）、慢性結腸袋炎（CP）或克羅恩病類炎癥（CDL）。大多數(shù)患者在囊袋（Pouch，P）和前袋回腸（PPI）處進行了活檢，共包括196個PPI 樣本和59個pouch樣本。
表1 IPAA隊列的人口統(tǒng)計學和臨床特征
組織間宿主基因表達變異度高而菌群變異度低
我們觀察到囊袋（Pouch，P）和前袋回腸（PPI）之間的菌群結構類似，但是它們之間的轉錄水平差異很大。
隊列多組學整合的降維方法
為了提高菌群組成與宿主轉錄活性關聯(lián)的效率，我們降低了宿主和微生物特征的維數(shù)。我們首先計算出，如果微生物豐度和基因表達數(shù)據(jù)之間的協(xié)方差是0.5，使用Bonferroni校正最多執(zhí)行10 4配對檢驗，并保留90%的power和α等于0.05，因此非常有必要將19908個宿主轉錄本和6999個觀察到的OTUs減少到10 4次測試，大約是100個轉錄本和100個微生物clades。為了實現(xiàn)這一目標，首先我們對OTUs分析僅限于那些存在于多個個體并且豐富的OTUs（平均豐度＞0.005）；其次在下游分析之前，我們采用了進一步的無監(jiān)督和監(jiān)督策略來進行數(shù)據(jù)降維，包括多元線性建模（旨在將微生物與宿主相關聯(lián)）和線性判別分析（確定哪些微生物和轉錄物能用于臨床結果判別）（圖1）。
通過這些數(shù)據(jù)降維方法，我們將19908個宿主轉錄物和6999個觀察到的OTUS轉化為138個特征：9個轉錄本主成分和9個微生物主成分分支，此外還有75個基因medoids和45個微生物分支。
圖1 數(shù)據(jù)分析流程圖。
組織位置和抗生素使用分別導致宿主基因表達和微生物組成最大變化
為了使gPCs、cPCs、感興趣的基因中心medoids、炎癥、抗生素使用和臨床結果之間關系的可視化，我們生成了一個雙標圖（圖2），結果發(fā)現(xiàn)抗生素使用與慢性口腔炎（chronic pouchitis）表型和腸球菌（Enterococcus）豐度高度相關。gPC8與抗生素使用呈負相關。克羅恩病類炎癥（Crohn’s disease-like）與腸桿菌科細菌（Enterobacteriaceae）增多有關。gPC9高表達與豐富的Sutterella和有益梭菌（Clostridia）相關。gPC1、gPC9、gPC6與FAP和無結腸袋炎（NP）最密切相關。
圖2 微生物分支、宿主轉錄本和臨床數(shù)據(jù)的雙標圖。紫色代表微生物，棕色和藍色箭頭分別代表宿主轉錄本和臨床數(shù)據(jù)（包括抗生素使用和臨床結果，例如FAP、AP、NP），樣品根據(jù)炎癥進行顏色區(qū)分，其范圍從無（綠色）到高（紅色），這個圖示僅基于PPI樣本。
接著我們量化了被樣本位置（囊袋和前袋回腸）、臨床結果、抗生素使用和炎癥影響的微生物和總宿主轉錄本的比例（表2），結果發(fā)現(xiàn)宿主轉錄與樣本位置密切相關，其次是炎癥，而與抗生素使用幾乎沒有關聯(lián)，與此相反，微生物的差異與抗生素密切相關，但與炎癥或樣本位置關系不大。
表2 炎癥、抗生素、臨床結果和樣本位置對轉錄組和微生物的影響
為了進一步研究抗生素、樣本位置、臨床結果和炎癥對特定微生物分支的影響，以及觀察這些受影響的微生物分支系統(tǒng)發(fā)育關系，我們進行了獨立的單變量分析（LEfSe）（圖3）。與抗生素使用有關的Bacteroides, Firmicutes, Tenericutes的豐度廣泛減少，與抗生素使用有關的Bacilli，Gammaproteo的豐度增加。埃希氏菌屬（Escherichia）與炎癥呈正相關，放線菌（Actinobacteria）與炎癥呈負相關。考慮使用抗生素后，Sutterella屬和Bacteroidetes屬與FAP臨床結果也強烈相關。Actinomycetales，F(xiàn)lavobacteria與PPI弱相關。
圖3單變量分析中的微生物和臨床數(shù)據(jù)之間的關系。隊列中的主要臨床數(shù)據(jù)是抗生素使用，炎癥，組織（pouch或PPI），和臨床結果（AP，NP，CP，FAP或CDL）。在抗生素使用分層之后，對炎癥（環(huán)2）、組織類型（環(huán)3）和臨床結果（環(huán)4, 5和6）的影響LDA值分別計算。環(huán)的顏色強度對應于LDA效應顯著的分類水平，從門（最小強度）到屬（最大強度）。
寄主基因表達不是囊袋（pouch）菌群組成的主要決定因素
在數(shù)據(jù)降維之后，為了檢測基因-微生物的關聯(lián)，使用多元線性模型來控制炎癥、組織位置和抗生素使用的影響。監(jiān)督（curated gene）和無監(jiān)督（gPC/cPC）列表分別獨立地通過MaAsL運行，結果只有無監(jiān)督列表的結果是顯著的（圖4）。與cPCs顯著相關的gPCs只有gPC8 和gPC9（圖4）。gPC9中補體級聯(lián)（CFI、C2和CFB）、干擾素調(diào)節(jié)因子1、干擾素誘導鳥苷酸結合蛋白和白細胞趨化因子CCL2的表達減少，預示gPC9高表達可能是對應于較低的炎癥狀態(tài)，事實上，當樣品按臨床結果分層時，gPC9在克羅恩病炎癥患者中表達最低，在FAP患者中表達最高。gPC8中脂多糖激活p38MAP激酶MAP2K6和PLA2G10的表達減少，這兩個元件涉及鈣和脂肪介導的炎癥信號，因此gPC8也可能與炎癥有關。
只有四個微生物cPCs與gPC8，gPC9相關：分別是cPC1, cPC3, cPC6, cPC8。cPC1顯示了明顯與抗生素使用相關的幾個特征：腸桿菌科細菌數(shù)量增加，擬桿菌屬和厚壁菌屬廣泛減少，腸球菌數(shù)量最多（圖4）。cPC3具有最低水平的雙歧桿菌。cPC1和cPC3與gPC8和gPC9呈負相關, 這些模式表明這組具有抗生素特征的微生物與潛在的炎癥基因高表達相關。
總之，宿主轉錄物和微生物之間的線性關系一般是適度的，占總變異的大約25%，因為其變異主要是由組織位置和抗生素使用分別驅動的。
圖4 多元線性模型結果。主成分分析將數(shù)據(jù)減少到9個gPCs（左側）和9個cPCs（中間），橙色和藍色分別表示表達的增加或減少。右側是同時控制炎癥、組織位置和抗生素使用影響后cPCs 和gPCs之間的關聯(lián)分析。
用宿主-微生物混合模型分鑒定pouch結果
接下來想探討宿主轉錄本、微生物或某些組合是否可用于臨床結果診斷。因為抗生素使用在臨床結果中高度不均衡，并且對慢性口腔炎的預后具有高度預測性，因此我們將分析限制在沒有抗生素使用的樣本中。慢性結腸袋炎（CP）和克羅恩病類炎癥（CDL）可以通過這個模型有效區(qū)分，特別是FAP（圖5）。然而交叉驗證的準確性較低（AUC 0.57），主要是由于模型對AP和NP結果的低區(qū)分度造成的。
圖5針對臨床結果的線性鑒別分析。使用線性鑒別分析來確定在控制抗生素使用后，哪些基因和微生物在臨床結果上最具鑒別力。在分析之前除去抗生素使用的所有樣品，并使用LDA混合模型進行一次性交叉驗證。（A，B）使用LD1和LD2鑒別臨床結果。
研究結果：
蘇州工業(yè)園區(qū)星湖街218號生物納米園C13樓501單元
86(0)512-6295 9990
86(0)512-6295 9995
