由m.3243A>G突变引起的线粒体疾病患者肠道菌群改变

《Molecular Genetics and Metabolism》：Gut microbiota alterations in individuals with mitochondrial disease caused by the m.3243a >G mutation

　　

患有与m.3243A>G突变相关的线粒体疾病（mitochondrial disease, MD）的患者经常出现胃肠道不适和运动障碍，提示肠道微生物组失调。m.3243A>G突变的一个常见表型是母系遗传性糖尿病和耳聋（Maternally Inherited Diabetes and Deafness, MIDD）。先前的研究表明，其他形式的糖尿病与肠道微生物组改变相关。因此，研究人员的研究旨在比较由m.3243A>G突变引起的MD患者与健康对照（Lifelines?）和1型糖尿病（type 1 diabetes, T1D）患者的肠道菌群。对30名携带m.3243A>G突变患者的粪便样本进行鸟枪法宏基因组测序。MD组与来自不同数据集的60名健康对照和60名T1D患者进行比较，并在年龄、性别和体重指数（body mass index, BMI）上匹配。研究人员发现，MD组与健康对照组和T1D组相比，肠道菌群的Bray-Curtis β-多样性存在显著差异，而MD组的Shannon α-多样性有非显著性的降低。与健康对照组和T1D组相比，MD组的肠道菌群特征为Faecalibacterium prausnitzii减少，Escherichia coli、Ruminococcus gnavus和Ruminococcus torques水平升高。这一模式与炎症性肠病（inflammatory bowel disease, IBD）中报道的微生物特征一致，而IBD与肠上皮细胞线粒体功能障碍相关。总体而言，研究人员探索性研究表明，携带m.3243A>G突变的患者表现出失调的肠道菌群，这可能为未来旨在开发新疗法、饮食调整及其改善生活质量的潜力研究铺平道路。

论文解读：m.3243A>G突变线粒体疾病患者的肠道菌群改变

**研究背景与问题**

线粒体疾病（mitochondrial disease, MD）是一类常见的遗传性代谢疾病，患病率约为1:5000。其中，线粒体DNA上的m.3243A>G突变是最常见的致病原因，可导致母系遗传性糖尿病和耳聋（Maternally Inherited Diabetes and Deafness, MIDD）、线粒体肌病（Mitochondrial Myopathy, MM）和线粒体脑肌病伴乳酸酸中毒及卒中样发作（Mitochondrial Encephalopathy, Lactic Acidosis and Stroke-like episodes, MELAS）等表型。目前，MD缺乏根治性疗法，治疗主要集中于缓解症状，而胃肠道（gastrointestinal, GI）症状（如腹胀、便秘）在患者中极为常见，86%的患者报告至少一种GI主诉。肠道运动障碍被认为是GI症状的潜在原因之一，而肠道菌群与GI功能和运动障碍密切相关。此外，其他形式的糖尿病（如1型糖尿病，type 1 diabetes, T1D）已被证实与肠道菌群改变相关，但MIDD对菌群的影响尚不明确。因此，研究人员旨在系统比较MD患者（携带m.3243A>G突变）与健康对照及T1D患者的肠道菌群组成和功能，以揭示MD相关的菌群失调特征，为未来治疗策略提供依据。该论文发表在《Molecular Genetics and Metabolism》。

**主要技术方法**

本研究样本队列来源：MD患者来自荷兰Radboudumc的m.3243A>G突变患者队列（30例），健康对照来自荷兰微生物组计划（Dutch Microbiome Project, DMP）的Lifelines队列，T1D患者来自Radboudumc的T1D队列。关键方法包括：粪便样本DNA提取，采用鸟枪法宏基因组测序（Illumina Novaseq X plus和HiSeq 2000平台）；使用metaBIOMx流程进行微生物分类（MetaPhlan 4.1）和功能注释（HUMAnN 3.9）；统计采用α多样性（Shannon指数）、β多样性（Bray-Curtis距离，PERMANOVA检验）、差异丰度分析（Mann-Whitney U检验，假发现率（False Discovery Rate, FDR）校正）、距离冗余分析（distance-based Redundancy Analysis, dbRDA）以及Spearman相关性分析。

**研究结果**

**3.1 一般特征：** 30名MD患者（20女，10男），平均年龄49.4±12.5岁，BMI 23.9±3.2 kg/m²，杂合度41.5%±26.6%。67%患MIDD，30%患MM，1例（3%）患MELAS。73%至少有1种GI症状，其中腹泻43%、腹胀53%、便秘60%。11例患者疾病严重（NMDAS评分>20），19例轻度（NMDAS评分<20）。

**3.2 测序数据：** MD组平均每样本35.7±8.0百万条原始读数，去除人源序列后35.6±6.4百万条用于分析。健康对照组和T1D组分别有15.2±2.2和25.7±6.1百万条原始读数。分类学分析鉴定5879个独特特征，81.08%注释到属水平，61.94%到种水平。功能分析获得17,916个MetaCyc通路特征，但仅5%可用于功能比较。

**3.3 属水平肠道菌群组成：** 所有组中优势菌门为Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria。Alistipes是最丰富的属（健康对照16.10%，MD 22.01%，T1D 14.58%）；MD组和T1D组中Bacteroides为第二丰富属（10.03%和7.25%），而健康对照组中Faecalibacterium为第二（6.08%）。

**3.4 β-多样性改变：** 通过Bray-Curtis距离和主坐标分析（Principal Coordinate Analysis, PCoA），MD组与健康对照组和T1D组相比，微生物和通路数据的β-多样性均显著差异（p.adj.bonf<0.001和0.002；p.adj.bonf=0.001和0.039）。dbRDA分析显示，在MD组内部，NMDAS评分解释5.6%（微生物数据）和5.5%（通路数据）的变异，BMI解释5.4%和5.8%，但多变量校正后均不显著。轻度与重度疾病患者的β-多样性趋势差异（p=0.075和0.063）。

**3.5 属和种相对丰度差异：** 与健康对照相比，MD组中35个属和40个种富集，7个属和10个种减少。Faecalibacterium（FDR<0.001）及其种F. prausnitzii（FDR<0.001）显著减少；Escherichia（FDR<0.001）、Bacteroides（FDR=0.049）富集，种水平E. coli、Ruminococcus gnavus、R. torques和Bacteroides uniformis显著富集（均FDR<0.001）。与T1D比较，模式类似但差异较少：F. prausnitzii仍减少（FDR=0.014），E. coli、R. gnavus、R. torques富集（FDR=0.038-0.050）。

**3.6 功能通路富集：** 与健康对照相比，MD组中13条MetaCyc通路富集，主要涉及L-天冬氨酸家族、支链氨基酸（branched-chain amino acids, BCAA）和辅酶A（Coenzyme A, CoA）生物合成。E. coli贡献13条通路，B. uniformis贡献12条通路。与T1D比较，BCAA生物合成和L-天冬氨酸/天冬酰胺生物合成超通路仍富集。

**3.7 与临床变量相关性：** 在MD组内部，FDR校正后α-多样性与年龄、BMI、杂合度、GI症状等无显著相关。但NMDAS与多种菌种呈弱正相关（未校正p<0.05）：E. coli（r=0.404）、R. gnavus（r=0.417）、R. torques（r=0.454）、B. uniformis（r=0.421）。年龄与161条MetaCyc通路相关。NMDAS与2条通路正相关。这些提示疾病严重程度与菌群组成和功能相关，但需更大样本验证。

**总结与讨论**

本研究初步探索了由m.3243A>G突变引起的MD患者的肠道菌群特征。研究人员发现，与健康对照和T1D患者相比，MD患者肠道菌群β-多样性显著改变，α-多样性有降低趋势。菌群组成上，F. prausnitzii减少，而E. coli、R. gnavus、R. torques增加，这一模式与IBD中报道的菌群失调相似，且与肠上皮细胞线粒体功能障碍相关。功能上，L-天冬氨酸、BCAA和CoA生物合成通路富集，提示代谢改变。疾病严重程度（NMDAS）和BMI是解释菌群变异的主要因素，且NMDAS与特定菌种正相关，进一步支持菌群与疾病严重性的关联。研究存在局限性，包括横断面设计、不同测序平台、未校正所有混杂因素等。结论部分翻译如下：**结论：** 这项探索性研究表明，与健康对照和T1D患者相比，携带m.3243A>G突变患者的肠道菌群发生改变，提示存在肠道菌群失调。鉴定出的改变菌种与IBD和肠易激综合征（Irritable Bowel Syndrome, IBS）等GI疾病相关，暗示肠道菌群在GI症状中的潜在作用。需要进一步研究以阐明m.3243A>G突变患者肠道微生物组与GI症状之间的联系。这些关于m.3243A>G突变个体肠道菌群的新见解，最终可能为未来研究新型疗法、饮食干预及其改善生活质量的潜力提供方向。