被迫改变生活方式对少数族群的微生物群和健康的影响

被迫改变生活方式对少数族群的微生物群和健康的影响

谷禾健康

现代生活方式通过部分改变微生物组而增加了人类患慢性病的风险。但是,对于少数族群而言,生活方式的改变将对健康产生怎样的影响,这方面的研究并不多。近日,爱尔兰国立科克大学Fergus Shanahan及其课题组的最新研究:Microbiome and health implications for ethnic minorities after enforced lifestyle changes 揭示了由生活方式改变引起的微生物组变化对少数族群健康的影响。这一研究成果发表《Nature Medicine》上。

摘要

生活方式会影响早期的微生物群,这时微生物群已经形成但免疫系统还未成熟。此外,通过对遗传相似的人群和居住在同一地理位置的不同种族的群体的研究,已经将生活方式的影响与遗传和地理因素分开。

爱尔兰旅行者是一个不同种族的亚群体,他们因为2002年的一项立法而结束了游牧生活,这改变了他们的生活方式(从游牧到定居)。

肠道微生物群的比较宏基因组学研究显示,爱尔兰旅行者群体保留了一个与非工业化社会人群相似的微生物群。他们的微生物群与非饮食因素有关,并且和与微生物相关的代谢性疾病的风险成比例的相关。研究结果表明,当少数族群的生活方式被迫改变时,会影响与微生物相关的公共卫生问题。

背景

爱尔兰旅行者占爱尔兰人口的近1%,它们在200到1200年前从定居的社区中分离出来,在2017年获得了单独的种族身份,以表彰他们独特的文化、语言、历史和生活方式。

他们与欧洲的其他游牧民族(分别被称为罗马尼人和罗马人)不同,但在基因上与非游牧定居的爱尔兰人非常相似。

社会经济因素被认为是少数民族健康不平等的主要决定因素。

爱尔兰旅行者的预期寿命自1987年以来一直停滞不前,而非旅行者爱尔兰人的预期寿命却大幅上升。

爱尔兰旅行者的死亡率高于普通人群,这一高死亡率是由多种因素造成的,包括事故、自杀、创伤和心血管疾病、呼吸和癌症死亡。

实验设计

研究对象:

118名成年爱尔兰旅行者,平均年龄39岁((±13岁,sd)。其中男性53人(44.9%),女性65人(55.1%)。

所有参与者都居住在科克市中心30公里半径内的5个地点之一。都进行了饮食评估(通过半定量的155项食物频率调查问卷(FFQ)评估)、世界卫生组织幸福指数(WHO-5)调差问卷填写、个人病史和家族史调查。

在研究开始后的1个月内,没有人服用抗生素,也没有人服用泻药、皮质类固醇、消炎药或抗凝剂。

研究人群的特征:

分组:

irish Travellers:爱尔兰旅行者

Elderly irish community:居住在社区住宅的爱尔兰老年人,非旅行者,137人

Elderly irish long-stay:长期接受家庭护理的爱尔兰老年人,非旅行者,53人

Young irish:青年的爱尔兰人,非旅行者,141人

international  controls/ Global:从鸟枪法宏基因组公共数据集中选取了3481名成人(≥20岁)的宏基因组图谱,作为无疾病对照。这些数据覆盖五大洲的15个不同民族。包括了non-industrialized societies(非工业化群体)和“industrialized”(工业化群体)

non-industrialized-like:爱尔兰旅行者亚群体,下文称类非工业化群体

industrialized-like:爱尔兰旅行者亚群体,下文称类工业化群体

宏基因组数据分析:

采集每个参与者的粪便,提取DNA。用于Illumina NextSeq平台的宏基因组鸟枪法测序。数据预处理后,使用MetaPhlan2进行物种分析,HUMANN2进行基因功能分析。

R3.5.3进行数据的统计分析。分组间的比较使用Mann-Whitney U检验,对于组内比较,采用Mann-Whitney检验,并将丰度差异(Benjamini–Hochberg, P< 0.1) 确定为一组相对于另一组的增加或减少。I-graph包用于网络的分析,Cytoscape可视化。

主要结果

1. 利用PCoA分析不同群体之间的微生物组成差异。发现爱尔兰旅行者有不同于其他队列(非工业化群体和工业化群体)的独特的微生物组成。

a. 爱尔兰旅行者群体与老年和年轻的非旅行者爱尔兰人群体间的PCoA分析。可以看见两者之间有明显的分离。(PERMANOV A F model = 4.86,R2 = 0.01, P = 0.001)

b. 爱尔兰旅行者与其他来自全球的某些地区的宏基因组元数据(international  controls)之间的PCoA分析。在PCoA的第二条轴上能明显看到非工业化和工业化群体之间的分离。(ANOVA,PCoA1:P<2.2*10^-16, PCoA2:P<0.003)

c. PCoA图。微生物群α多样性的两个指数(物种多样性和丰富度)表明,爱尔兰旅行者在工业化和非工业化群体之间处于中间位置。

d. 为了探索c图中处于中间位置的微生物群,研究人员在PCoA坐标上采用了一种基于距离的方法,通过计算每个参与者各自的肠道微生物群与工业化和非工业化人群的中位距离,确定了“中间”(Intermediate)的微生物群。

2. 在旅行者亚群体中确定了类非工业化、类工业化和“中间”的微生物群落

通过计算6种不同的相异距离度量,Bray-Curtis,

Jaccard, Binomial, Manhattan, Canberra 和Spearman,进行PCoA分析,在每个分析情况下都明显出现了分离,红色为类非工业化,暗黄色为“中间”,蓝色为类工业化。

3. 通过对爱尔兰旅行者的饮食模式与其它爱尔兰人队列或爱尔兰旅行者亚群之间的比较研究。结论表示爱尔兰旅行者组之间的饮食差异很小,主要的饮食差异在旅行者和非旅行者爱尔兰人之间,不在旅行者的亚群中。

a.各种常量营养素和微量营养素的平均消耗频率的中位数的热图,横轴为不同队列,纵轴为各营养素,单元格内的值为校正后P值,仅显示P<0.1的情况。

爱尔兰旅行者饮食的主要标志是高脂肪(各种形式)和蛋白质,以及相对较高的视黄醇、氯化物、泛酸、色氨酸、碘、维生素B12和锌。

爱尔兰旅行者的纤维摄入量(由非淀粉多糖反映)低于所有其他组,除了Elderly irish long-stay组。

b.PCoA图展现了不同队列之间基于常量营养素的膳食概况和指定营养素与各队列的关联。爱尔兰旅行者用红色表示。

c. 箱线图显示爱尔兰各队列的健康食品多样性(HFD)的指数值。爱尔兰旅行者的饮食质量明显低于其他组。

d.对爱尔兰旅行者中三个亚群(非工业化组,中间组【Intermediate】,工业化组)的饮食概况进行了PERMANOVA分析,结果显示三组之间的饮食相似。

e、f.  热图显示了爱尔兰旅行者的三个亚群(*Travellers)与另外三个非爱尔兰旅行者队列中五大主要食品的平均消费水平。从图中侧边的聚类看,爱尔兰旅行者亚群之间的差异较小。箱线图指示健康食品多样性指数。

4.利用网络分析,探索非工业化群体和工业化群体的微生物群之间的关联性

使用了international  controls数据集(3481个样本),揭示了两个截然不同的群体(工业化和非工业化),其中蒙古人(Mongolian)和旅行者这两个群体都与工业化和非工业化群体有联系。

在旅行者亚群中观察到了不同的关联性,其中类非工业化群体主要与非工业化群体、“中间”和类工业化群体有关联,而“中间”和类工业化群体又与工业化群体有关联。

4. 爱尔兰旅行者儿童期到成年期生活条件变化与微生物群落的关系,论证了生活条件的变化与微生物群的差异有关

计算了工业化与非工业化微生物群的PCoA坐标与爱尔兰旅行者队列中特定居住地点组(a图横轴坐标名称所示)的样本之间的欧氏距离。然后计算平均距离。

Bean图显示了给定变量在y轴上每个值上的平滑密度分布。对于每个Bean图,在给定值y处的图的宽度指示具有该y值的变量的频率。

Bean图中的P值表示在特定居住地点组内的非工业化和工业化群体之间的中位数距离的成对比较的重要性。Bean图上的P值(颜色分别对应非工业化和工业化群体)表示特定居住地点组间的两两比较的重要性。

从a图中得出结论,在工业化群体中,对比一直住在房子里的旅行者,童年时就住在停歇地的旅行者的微生物群变化更大。

b. 爱尔兰旅行者亚群与非旅行者爱尔兰群体微生物群的比较。Bean图显示了3个爱尔兰旅行者亚群和非旅行者爱尔兰人的微生物群与非工业化和工业化队列的微生物群的平均距离的分布。

5. 与旅行者保留祖先或非工业化微生物群有关的主要的生活方式因素是住房条件、兄弟姐妹数量和动物拥有率。饮食并不是将旅行者的微生物群分成类非工业化的和类工业化的两个组的决定因素。

a.b. 曲线下面积(AUC)为0.82,总体准确率>77%的旅行者中,有8个因素可以解释非工业化的微生物群与工业化的微生物群

c. 有3个因素使爱尔兰旅行者有别于其他爱尔兰人:住房条件(Housing conditions)、兄弟姐妹数量(Number of siblings)和动物所有权(animal ownership)。

d.e.f 在住房条件为停歇地的群体中,保留非工业化类微生物群的旅行者的个体比例明显更高(Fisher’s

exact test, P = 0.004),而这些保留非工业化类微生物群的群体都存在显著的兄弟姐妹数量增加和拥有动物所有权的个体比例增高。

6. 爱尔兰旅行者微生物群的组成变化与基因功能代谢变化有关,而这些功能变化与工业化(西方)社会的慢性病风险的增加有关,如SCFA途径减少、TMA增多。

类非工业化(NI-Like)和类工业化(I-Like)旅行者之间的微生物群功能差异与全球队列(Global)中的微生物群功能差异情况,结果证明这两者是相似的。通过观察功能预测和已知的种水平的功能分析之间的一致性,用来识别具有差异的代谢途径或功能。

图中abcdef分别为丁酸盐、脂多糖生物合成、粘蛋白降解、次级疏水胆汁酸生成、动物碳水化合物、三甲胺转化率。

左边为产物的生产丰度,右边为与该产物相关的KEGG代谢基因的丰度。

生产丰度的变化趋势也反映在与其相关的功能代谢基因的丰富度上。所有P值都经过FDR校正,出了橙色高亮的P值。

TMA被认为是动脉粥样硬化、脂肪性肝病和2型糖尿病的危险因素。血清TMA水平受包括肠道微生物在内的因素调控。

结论

爱尔兰旅行者的微生物群的特征表现为缺乏在非工业化群体中典型丰富的物种,同时又表现出对工业化社会典型丰富的物种的较低的、可变的获取。

旅行者微生物群差异的主要驱动因素是非饮食的生活方式和环境因素。虽然旅行者的饮食是西式的,但他们的生活条件与非工业化社会相似。

与工业化相关的微生物群的功能变化可能使旅行者更容易患上慢性病,包括次级胆汁酸的生成增加,LPS的生物合成增加,TMA转化率增加。产甲烷古菌的丧失,这也是一个特征,预计会导致氢水平和氧化还原通量的改变。

研究人员认为要预防西方的慢性病,需要了解肠道微生物群如何随着现代化的发展而变化。由于环境是宿主与微生物相互作用的一个深刻决定因素,因此在现代工业化社会中拥有一个非工业化的类似微生物群落的这一意义需要引起大家的关注。


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