肠道微生物群与骨量的遗传学因果关联：多效性作用及代谢介导机制

《Nature Communications》：Genetically informed causal links between gut microbiota and bone mass: pleiotropy and metabolic mediation

　　本研究针对宿主遗传结构、肠道微生物群、代谢物与骨代谢间复杂关系尚不明确的问题，利用大规模欧洲人群遗传数据，通过遗传学方法系统探究了肠道微生物群与骨密度的因果关联及机制。研究发现双歧杆菌科、双歧杆菌属和青春双歧杆菌的丰度增加会通过升高血液中十八碳四烯酸(Stearidonate, 18:4n-3)水平，从而导致骨密度降低，其中介比例高达77.53%-87.24%。该研究揭示了LCT/MCM6基因座在宿主-微生物相互作用中的关键作用，为骨质疏松的防治提供了新的潜在靶点。

　　

骨质疏松症是一种以骨密度降低和骨微结构破坏为特征的骨骼疾病，已成为全球性的重大健康问题。评估骨质疏松的主要指标是骨密度(BMD)，而骨质疏松性骨折是其主要的临床结局。在美国，2005年就发生了超过200万例与骨质疏松相关的骨折，治疗成本高达170亿美元。骨密度是一个高度可遗传的性状，在家族和双胞胎研究中估计的遗传力在50%到85%之间。过去十年，全基因组关联研究(GWAS)已经识别出数百个与骨密度、骨质疏松和骨质疏松性骨折相关的遗传位点。

近年来，宿主肠道微生物群作为一个复杂的微生物群落，其调控骨骼健康的潜在作用逐渐受到关注。研究表明，与无菌小鼠相比，肠道微生物群定植可通过刺激胰岛素样生长因子1(IGF-1)促进小鼠骨骼生长和重塑。某些微生物类群，如长双歧杆菌，被证明会影响矿物质（钙、镁、磷酸盐）的吸收，并可能在合成B族维生素和维生素K中发挥关键作用，从而可能影响骨骼发育。此外，研究显示肠道微生物群可能通过产生短链脂肪酸（如丁酸盐）以及影响与骨代谢相关的肽类（如胰高血糖素样肽-1）来影响骨骼发育。

然而，宿主遗传结构、肠道微生物群、代谢物和骨代谢之间的相互作用仍然知之甚少。此前的研究虽然使用孟德尔随机化(MR)方法探讨了肠道微生物群与骨密度之间的关系，但这些研究主要在较高的分类学水平（如目或科）上进行考察，而非更具体的属水平。此外，这些研究的汇总数据来自样本量相对较小的TwinsUK肠道微生物群GWAS。遗传关联的可靠性在很大程度上取决于工具变量的选择。幸运的是，近期公开的大规模GWAS数据集提供了稳健的SNP-性状关联数据。

为了更深入、更系统地揭示肠道微生物群与骨密度之间的因果关系及其内在机制，郑厚峰教授团队在《Nature Communications》上发表了题为"Genetically informed causal links between gut microbiota and bone mass: pleiotropy and metabolic mediation"的研究论文。该研究基于欧洲人群的数据集，旨在全面研究肠道微生物群与骨量之间的共享遗传因素、因果关系以及血液代谢物的参与作用。

研究人员综合运用了多种遗传学分析方法。他们首先利用连锁不平衡评分回归(LDSC)估计了1104个肠道微生物类群的多基因SNP遗传力(h2_SNP)，筛选出具有显著多基因性的96个类群。随后通过全基因组水平的多效性分析（评估LD独立SNP的Z得分相关性）和遗传位点多效性分析（使用GWAS-PW方法），识别出与eBMD存在共享遗传效应的微生物类群。在此基础上，采用两样本孟德尔随机化分析（包括逆方差加权法、加权中位数法和MR-Egger回归）评估因果关系，并通过多变量孟德尔随机化和中介分析探讨血液代谢物（特别是十八碳四烯酸）在其中的介导作用。研究所用数据均来自公开的大型GWAS汇总数据集，包括肠道微生物群（来自FINRISK、DMP、German和MiBioGen四个研究）、骨密度（来自GEFOS联盟的eBMD和TB-BMD数据）以及血液代谢物（453种代谢物）的数据。

肠道微生物群类群的遗传力估计

研究首先对来自四个研究（FINRISK、DMP、German和MiBioGen）的1104个肠道微生物类群的GWAS汇总数据进行了SNP遗传力估计。结果显示，大多数肠道微生物类群受环境影响较大，仅少数类群主要受宿主遗传因素影响。物种Bifidobacterium catenulatum表现出最高的SNP遗传力(h2_SNP = 0.9845)。h2_SNP的Z得分与GWAS的样本量(r=0.116, P=0.0001093)和SNP数量(r=0.112, P=0.0001848)均呈显著正相关，表明肠道类群的遗传力可归因于全基因组多基因性以及更大的GWAS样本量。最终，96个（约8.7%）独特的肠道微生物类群被筛选出来用于后续分析，它们分布在1个门、4个纲、4个目、11个科、33个属和43个种水平上。

与eBMD存在遗传多效性的候选肠道微生物类群

研究人员采用两种互补的方法（全基因组水平多效性关联和LD独立区域多效性）从96个具有显著多基因性的肠道微生物类群中识别与eBMD存在共享遗传效应的候选类群。

在全基因组水平，通过评估96个独特肠道微生物类群与eBMD的LD独立SNP的Z得分相关性，发现两个类群（Haloplasmatales和Bifidobacterium adolescents）在错误发现率(FDR)小于0.1水平上显示出与eBMD显著的负相关SNP效应。

使用成对GWAS(GWAS-PW)方法，研究人员在1703个LD独立区域中识别出与eBMD和肠道微生物类群共同关联的遗传位点。共发现5个多效性遗传位点与eBMD和13个不同的肠道微生物类群共同相关。其中一个位于2号染色体MCM6/LCT基因座附近的位点（先导SNP为rs2090660）以相反的效应同时影响eBMD和5个双歧杆菌类群（目Bifidobacteriales；科Bifidobacteriaceae，属Bifidobacterium，种Bifidobacterium adolescents和Bifidobacterium pseudocatenulatum）。另一个位于9号染色体ABO基因附近的位点（先导SNP为rs635634）与eBMD和目Ruminococcales（包括种Faecalicatena torques和属Faecalibacterium）相关。

最终，基于两种互补的方法，从96个测试的肠道微生物类群中确定了14个候选类群与eBMD存在共享的遗传多效性效应。

对eBMD有因果效应的候选肠道微生物类群

接下来，研究使用逆方差加权(IVW)方法（Bonferroni校正后P值阈值0.00357）检验了这14个候选肠道微生物类群与eBMD之间的因果关系，并利用加权中位数法和MR-Egger回归法增强结果的稳健性及评估方向性多效性。

结果识别出11个特定的肠道微生物类群丰度与eBMD存在因果关系。进一步的敏感性分析（使用不同P值阈值筛选工具变量以及留一法分析）表明，其中4个类群（Bifidobacteriales, Bifidobacteriaceae, Bifidobacterium 和 Bifidobacterium adolescents）对eBMD具有稳健的因果效应。

三种双歧杆菌类群与骨密度关联的验证

由于三种双歧杆菌类群（科Bifidobacteriaceae, 属Bifidobacterium, 种Bifidobacterium adolescents）在两个独立研究（DMP和FINRISK）中均有测量，研究使用DMP GWAS数据集作为发现样本，并使用FINRISK研究的独立GWAS数据集进行验证。MR分析表明，在复制样本中，科Bifidobacteriaceae、属Bifidobacterium和种Bifidobacterium adolescents的丰度与eBMD降低存在因果关联。此外，使用全身骨密度(TB-BMD) GWAS数据集的进一步验证也支持了这三种类群与TB-BMD降低的因果关联。GWAS-PW分析在发现样本和复制样本中得出了一致的结果。

三种双歧杆菌类群通过代谢物对骨密度的介导效应

研究通过多变量孟德尔随机化(MR)分析探讨血液代谢物在肠道微生物类群（Bifidobacteriaceae, Bifidobacterium 和 Bifidobacterium adolescents）对eBMD影响中的介导作用。

首先，IVW分析发现物种Bifidobacterium adolescents对453种血液代谢物中的41种有因果影响（Bonferroni校正后P<0.05）。同时，IVW分析发现257种具有全基因组显著SNP的代谢物中的45种对eBMD有因果效应（P<0.05/257）。其中，十八碳四烯酸(18:4n3)与eBMD存在因果关联(β_IVW = -0.3924, p=3.808×10^-12)。研究发现Bifidobacterium adolescents与血液十八碳四烯酸水平存在因果关联(β_IVW = 0.0621, p=1.04×10^-4)。在调整十八碳四烯酸后，物种Bifidobacterium adolescents对eBMD的直接效应消失，表明十八碳四烯酸在肠道与eBMD的因果关系中起重要的介导作用。中介分析显示，物种Bifidobacterium adolescents通过十八碳四烯酸对骨密度的间接效应为-0.02432，中介比例为77.53%。对于科Bifidobacteriaceae和属Bifidobacterium也观察到类似结果，中介比例分别为87.24%。

三种双歧杆菌类群和十八碳四烯酸的遗传决定因素

值得注意的是，三种肠道类群（Bifidobacteriaceae, Bifidobacterium, 和 Bifidobacterium adolescents）的遗传决定丰度源自位于MCM6/LCT基因座内的一系列SNP。SNP rs4988235是LCT/MCM6功能的一个明确预测因子，在DMP队列的这些肠道类群GWAS中是显著SNP。此外，研究发现血液十八碳四烯酸水平受位于FADS1/FADS2基因座内的几个显著SNP影响，其中rs174547在十八碳四烯酸GWAS中是显著SNP。然而，对于DHA未观察到这种关联。卡方分析显示，在英国生物银行469,133名参与者中，rs174547基因型分布在rs4988235-GG基因型个体和rs4988235-GA/AA基因型个体之间存在显著差异(p<0.001)。携带rs174547-TT基因型的个体在rs4988235-GG基因型个体中的比例显著高于rs4988235-GA/AA基因型个体。

本研究通过系统的遗传学分析，揭示了肠道微生物群与骨密度之间复杂的关系。研究首次提供了证据表明双歧杆菌科、双歧杆菌属和青春双歧杆菌的丰度增加与骨密度降低存在遗传学上的因果关联。更为重要的是，研究阐明了这种负面关联可能是通过血液中的十八碳四烯酸(18:4n-3)水平进行介导的。

研究发现，这种遗传信息提示的负相关可能反映了LCT/MCM6基因座处的宿主-微生物相互作用，是对乳糖不耐受的一种适应性微生物反应。携带乳糖酶持久性非耐受基因型（rs4988235-GG）的个体，其肠道中双歧杆菌丰度较高，这可能是微生物协助消化乳糖的一种代偿机制。同时，这些个体也可能因FADS1/FADS2基因座的遗传变异，导致十八碳四烯酸向EPA/DHA的转化效率降低，血液中十八碳四烯酸水平升高，而EPA/DHA对骨骼健康有保护作用，最终导致骨密度降低。

这一发现具有重要的科学意义和潜在的转化价值。它不仅深化了我们对"肠-骨轴"机制的理解，将宿主遗传、肠道微生物、脂肪酸代谢和骨骼健康联系起来，而且为骨质疏松的防治提供了新的思路。研究表明，补充双歧杆菌益生菌和n-3多不饱和脂肪酸（如DHA）可能有助于缓解这种由遗传和微生物因素带来的骨骼健康风险。总之，该研究为理解肠道微生物群在骨骼健康中的作用提供了新的遗传学见解，并强调了血液代谢物水平在骨骼健康中的关键作用。