《International Journal of Molecular Sciences》：Use of 16S rRNA Gut Microbiome Analysis to Identify Shared Microbial Signatures Across Metabolic Syndrome Components in Obese Subjects
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摘要：肠道菌群（Gut microbiota, GM）改变及其相关的代谢产物已被认为与代谢综合征（Metabolic Syndrome, MetS）及早期心血管代谢风险有关。然而，GM变化与MetS之间的关联，及其与心血管风险显著个体间变异的关系，仍未完全阐明
摘要：肠道菌群（Gut microbiota, GM）改变及其相关的代谢产物已被认为与代谢综合征（Metabolic Syndrome, MetS）及早期心血管代谢风险有关。然而，GM变化与MetS之间的关联，及其与心血管风险显著个体间变异的关系，仍未完全阐明。研究人员开展了一项针对肥胖个体（n=176）的横断面研究，利用16S扩增子测序数据评估GM特征与MetS临床表型之间的关联。各MetS单项指标的患病率分别为：高血糖37.4%、高甘油三酯血症23.4%、高血压54.0%、低高密度脂蛋白胆固醇52.1%，总体符合MetS诊断标准的参与者占51.1%。通过对16S rRNA扩增子测序数据的比较分析，研究人员鉴定出一个由45个扩增子序列变体（Amplicon Sequence Variants, ASVs）组成的、跨越MetS各临床组分的共享肠道微生物特征。其中，普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）的成员在MetS患者中持续减少，而韦荣球菌属（Veillonella）和链球菌属（Streptococcus）则富集增加。在MetS个体中观察到微生物α多样性降低。基于PICRUSt2的功能推断表明，MetS阳性个体中与复杂碳水化合物利用及短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid, SCFA）代谢相关的通路丰度较低。本研究结果来自两个独立数据集，表明MetS与参与复杂碳水化合物代谢和SCFA产生的细菌类群的减少相关联。
论文解读文章
一、研究背景与研究问题
代谢综合征（Metabolic Syndrome, MetS）是指一系列相互关联的代谢异常同时出现，包括中心性肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常和血压升高，这些异常共同反映了系统性代谢功能障碍的状态，并显著增加心血管疾病及2型糖尿病等不良代谢结局的风险。然而，符合相同诊断标准的个体在心血管代谢风险方面可能表现出显著的异质性，这表明MetS包含了多种不同的潜在生物学特征。近年来，全球MetS患病率大幅上升，这与现代社会的流行病学趋势及生活方式的广泛改变密切相关。
肠道菌群（Gut Microbiota, GM）作为连接环境暴露与宿主代谢的关键界面，其改变已被发现伴随早期代谢异常，如胰岛素抵抗和低度炎症，提示微生物组在心血管代谢风险中具有功能性参与。重要的是，这些与微生物组相关的改变在明显的代谢综合征和2型糖尿病发生之前的亚临床阶段即可被检测到，这支持了GM相关特征用于早期心血管代谢风险分层的潜力。尽管已有研究表明GM组成和功能的改变通过破坏宿主-微生物互作以及影响微生物衍生代谢产物的产生而与代谢疾病相关，但这些改变的机制性联系尚未完全明确。此外，GM特征与MetS（作为一个整体状况及其各个临床组分）之间的关系，在早期心血管代谢风险的背景下也未得到系统性的表征。因此，本研究旨在评估肠道微生物组特征与MetS（包括其整体状况及各临床组分）之间的关联，并探索MetS相关微生物特征的潜在转化意义。
二、研究内容与主要结论
研究人员开展了一项针对肥胖个体的横断面研究，纳入176名受试者，通过16S rRNA基因扩增子测序分析粪便样本的微生物组成，评估GM特征与MetS及其各临床组分之间的关联。研究结果显示，在肥胖人群中，MetS的整体患病率为51.1%，各单项指标（高血糖、高甘油三酯血症、高血压、低高密度脂蛋白胆固醇）的患病率介于23.4%至54.0%之间。通过比较分析，研究人员鉴定出一个由45个扩增子序列变体（Amplicon Sequence Variants, ASVs）组成的共享微生物特征，这些ASVs至少与两个MetS组分相关。其中，普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）的成员在MetS患者中一致减少，而韦荣球菌属（Veillonella）和链球菌属（Streptococcus）则富集增加。此外，MetS阳性个体的微生物α多样性显著降低。功能预测分析表明，MetS阳性个体中与复杂碳水化合物利用及短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acid, SCFA）代谢相关的通路丰度较低。这些发现在一个外部验证队列（n=37）中得到了一定程度的证实。本研究的结论表明，在肥胖个体中，MetS与参与复杂碳水化合物代谢和SCFA产生的细菌类群的减少相关联。
三、主要关键技术方法
- 1.
研究队列：发现队列来自MICROBESOMICS研究，包含176名肥胖个体，排除标准包括既往减重手术史、炎症性肠病、益生菌使用、近期抗生素使用及肠道癌症。外部验证队列来自FLOROMIDIA数据库，包含37名受试者，均于罗马Tor Vergata大学附属医院招募。
- 2.
16S rRNA基因扩增子测序：采用Illumina NovaSeq平台对粪便样本进行16S rRNA基因V3-V4高变区测序（250 bp双端测序），通过DADA2流程处理得到ASV，并使用Silva v138数据库进行分类学注释。
- 3.
差异丰度与多样性分析：使用DESeq2进行ASV差异丰度分析，校正年龄、性别和批次效应；采用Observed features、ACE和Fisher指数评估α多样性；基于Bray-Curtis相异矩阵进行主坐标分析（PCoA）并通过PERMANOVA检验β多样性差异。
- 4.
功能预测：使用PICRUSt2从16S rRNA测序数据预测微生物组功能潜能，并通过LEfSe进行差异通路富集分析。
四、研究结果
2.1 临床特征：所有参与者均表现为腹部肥胖（100%）。其他四项MetS组分的患病率分别为：高血糖37.4%、高甘油三酯血症23.4%、高血压54.0%、低HDL胆固醇52.1%。总体而言，51.1%的参与者符合MetS诊断标准。
2.2 16S基因扩增子测序：
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差异丰度分析：通过DESeq2分析发现，在各MetS组分阳性和阴性个体之间存在大量显著差异丰度的ASV。在厚壁菌门（Firmicutes）内，梭菌纲（Clostridia）尤其是毛螺菌目（Lachnospirales）和颤螺菌目（Oscillospirales）变化最为显著；在拟杆菌门（Bacteroidota）中，主要涉及拟杆菌目（Bacteroidales）。
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β多样性：基于Bray-Curtis距离的PCoA结合PERMANOVA分析显示，各代谢性状阳性和阴性个体之间的GM组成存在统计学显著分离（p<0.05）。
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α多样性：无MetS个体的α多样性（Observed features、ACE和Fisher指数）显著高于MetS阳性个体（p<0.05）。
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共享微生物特征：通过交集分析鉴定出45个至少与两个MetS组分共有的ASV。其中，普雷沃氏菌属_9（Prevotella_9）、瘤胃球菌科UBA1819（Ruminococcaceae UBA1819）和扭链瘤胃球菌群（Ruminococcus torques group）的多个成员在MetS组分中倾向于减少，而韦荣球菌属（Veillonella）、丹毒梭菌属（Erysipelatoclostridium）、[真杆菌]木聚糖噬菌群（[Eubacterium] xylanophilum group）、厌氧棒状菌属（Anaerostipes）和链球菌属（Streptococcus）的ASV则常增加。
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功能预测：PICRUSt2功能分析显示，代谢健康个体在果胶降解通路（包括L-鼠李糖、D-半乳糖醛酸和4-脱氧-L-苏式-烯吡喃糖醛酸降解）以及乙酸产生相关的预测功能潜能上显著富集。
2.3 外部验证：在FLOROMIDIA验证队列中，差异丰度分析鉴定出55个显著差异分类单元。多个属于Lachnospiraceae_UCG_004、Lachnospiraceae_UCG_001、粪杆菌属（Faecalibacterium）、丁酸弧菌属（Butyrivibrio）、丁酸单胞菌属（Butyricimonas）、布劳特氏菌属（Blautia）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）的ASV在MetS阳性个体中显著减少，而链球菌属（Streptococcus）、埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）、[真杆菌]粪固醇醇群（[Eubacterium]_coprostanoligenes_group）和氨基酸球菌属（Acidaminococcus）的ASV则增加。在两个数据集之间，共有5个属和8个科重叠，共享的属包括拟杆菌属（Bacteroides）、布劳特氏菌属（Blautia）、厌氧棒状菌属（Anaerostipes）、戴阿利斯特菌属（Dialister）和链球菌属（Streptococcus）。
五、讨论与结论
讨论部分：研究人员指出，MetS中的GM重塑归因于环境和宿主因素，包括日常饮食和低度全身性炎症，这些因素改变了底物可用性和肠道生态系统动态，促进菌群失调并破坏肠道屏障完整性，从而促进微生物代谢产物易位和与心血管代谢风险相关的炎症信号传导。本研究中鉴定出的MetS相关微生物特征显示，以普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）和瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）为代表的、参与微生物可及碳水化合物发酵和SCFA产生的细菌类群减少，而以韦荣球菌属（Veillonella）和链球菌属（Streptococcus）为代表的细菌富集，这与先前的研究一致。此外，MetS阳性个体中微生物α多样性的降低也印证了菌群生态系统稳定性与宿主代谢健康的关联。功能预测分析进一步支持了MetS个体在复杂碳水化合物利用和SCFA代谢方面的潜能下降。研究人员承认，尽管分析校正了年龄、性别和批次效应，但未测量的混杂因素（如用药、饮食习惯、吸烟、益生菌或抗生素暴露、胃肠道疾病等）可能影响观察到的关联。同时，本研究的局限性包括研究对象仅限于肥胖人群，限制了结果的推广性；16S rRNA基因测序的分类分辨率有限；外部验证队列样本量较小；PICRUSt2提供的功能预测并非直接测量。
研究结论：在肥胖个体中，基于两个独立数据集的结果表明，MetS与参与复杂碳水化合物代谢和SCFA产生的细菌类群的减少相关联。
