科研 | mSystems：拥有超长寿命及较强外源降解能力人群的肠道微生物宏基因组学分析
编译：逍遥君，编辑：小菌菌、江舜尧。
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长寿人群的肠道微生物群显示出越来越多的亚优势物种，以及与健康相关的细菌的重新排列，但对微生物组的功能知之甚少。为了弄清肠道微生物群对人类寿命这一复杂特征的贡献，本研究在这里描述了人类肠道微生物组随着年龄的增长而发生的宏基因组变化，包括百岁老人（99至104岁）和半超级百岁老人（105至109岁），即人口统计学达到人类寿命极限的非常罕见的研究对象。根据我们的研究结果，百岁老人和半超级百岁老人的肠道微生物群更适合于外源性降解，并且在与碳水化合物、氨基酸和脂质代谢相关的代谢途径中显示出明显的差别。总的来说，本研究不止于描述肠道细菌和随着年龄增长而发生的生理变化之间的关系，且详细描述了百岁老人和半超级百岁老人肠道微生物组潜在的宏基因组功能的变化，这些变化很有可能是对饮食和生活方式不断改变的反应。
对长寿的研究可能有助于我们了解人类如何在最常见的与年龄有关的疾病中延缓寿命或存活。在这种情况下，肠道微生物组被认为是监测和支持健康衰老的变量之一。事实上，宿主肠道微生物组稳态的破坏与炎症和肠道通透性以及骨骼和思维能力的下降有关。本研究对105至109岁的半超级百岁老人的粪便样本进行了宏基因组评估，并将其与年轻人、老年人和百岁老人进行了比较，揭示了人类肠道微生物群随年龄增长其组成及功能的变化。除了提供一个精细到物种水平的分类学解析外，本研究还强调了西方社会普遍存在的外源物质降解途径随年龄而逐渐增加的现象，这一结果有可能用于表征机体衰老。
论文ID
原名：Shotgun metagenomics of gut microbiota in humans with up to extreme longevity and the increasing role of xenobiotic degradation
译名：拥有超长寿命及较强外源降解能力人群的肠道微生物宏基因组学分析
期刊：mSystems
IF：6.633
发表时间：2020.04
通讯作者：Marco Candela
作者单位：博洛尼亚大学
实验设计
结果
研究人员早前对意大利埃米利娅-罗曼尼亚地区及其周边地区包括百岁老人和半超级百岁老人的69人粪便微生物群进行了分析，发现肠道微生物群组成的差异与年龄显著相关。为了进一步揭示肠道微生物群和长寿之间的功能和物种联系，研究人员使用宏基因组学分析了62个DNA样本。62个样本包括11名年轻成人（Y组，女性6例，男性5例，年龄为22～48岁，平均年龄32.2岁）、13名年轻老年人（K组，女性6例，男性7例，年龄为65～75岁，平均年龄72.5岁）、15名百岁老人（C组，女性14例，男性1例，年龄为99～104岁，平均年龄100.4岁）和23名半超级百岁老人（S组，女性17例，男性6例，年龄为105～109岁，平均年龄106.3岁）。宏基因组测序共产生13亿个序列，平均每个样本2000万个（标准误差为±500万）。
研究人员发现所有年龄组的粪便微生物群都由少数几个细菌科（即Bifidobacteriaceae、Bacteroidaceae、Lachnospiraceae和Ruminococcaceae）组成，它们的相对丰度随着年龄的增长而减少（数据表示为平均相对丰度±SD：Y组，73%±3%；K组，65%±4%；C组，62%±4%；S组，58%±6%）。在物种水平上，主要由13种细菌组成：Bifidobacteriumadolescentis、Bifidobacterium longum、Bacteroidesuniformis、Faecalibacterium prausnitzii、Ruminococcus Bromii、Subdoligranulum sp.、Anaerostipeshadrus、Blautia obeum、Ruminococcustorques、Coprococcus catus、Coprococcus comes、Dorea longicatena和Roseburia sp。物种水平相对丰度的Bray-Curtis主坐标分析（PCoA）提供了粪便微生物组成与年龄相关的证据（P＜0.05，错误率置换试验），包括在微生物组结构分类和功能中建立各年龄组特有的拓扑模式，如网络图（图1）和柱状图（图S1）所示。然而，在种水平上年轻老年组肠道菌群的组成结构与青年组大体上相似（P=0.2），这表明衰老过程的生理反应可能不涉及肠道微生物种类及其相对丰度的重大变化，另一方面，来自百岁老人和半超级百岁老人的肠道微生物群在其分类结构中具有独特的重组特征（图2A）。特别注意的是，与年轻人相比，长寿组B. uniformis、Eubacterium rectale、C. comes和F. prausnitzii减少，Escherichia coli、Methanobrevibactersmithii、Akkermansia muciniphila和Eggerthella lenta增加（P＜0.05，Kruskal-Wallis检验），这进一步证实了肠道微生物群变化可能是衰老过程的一部分，而不是环境变量，如地理渊源和文化习惯（即饮食和生活方式）。
图1 肠道微生物群随年龄的变化。（顶部）网络图显示了四个年龄组的肠道微生物组的分类和功能：11个年轻人（22-48岁；年轻组），13个年轻老年人（65-75岁；老年组），15个百岁老人（99-104岁；百岁组），23个半超级百岁老人（105-109岁；半超级百岁老人组）。圈大小表明物种或功能途径相对于整个队列的平均丰度。圈之间的线显示两者之间的显著正相关。（底部）四个年龄组种水平相对丰度数据集之间基于Bray-Curtis的PCoA图。
有趣的是，研究人员在分析功能时我们发现，与年龄相关的基因读数与外源生物的生物降解和代谢正相关，与碳水化合物代谢负相关（图2B和C；图S2）。这种功能重排在百岁老人和半超级百岁老人的肠道微生物群中更为明显，其中，淀粉和蔗糖（ko00500）、磷酸戊糖（ko00030）和氨基糖和核苷酸糖（ko00520）代谢的作用受到抑制，甲苯（ko00623）、乙苯（ko00642）、己内酰胺（ko00930）以及氯环己烷和氯苯（ko00361）降解被激活。虽然与碳水化合物代谢有关的变化在以前的研究中已经被报道过，并被认为与年龄相关的饮食习惯的改变有关，但外源代谢基因的增加是第一次在这里被报道，并且显得特别有趣。
图2 与年龄相关的肠道微生物物种及功能。（A）四个年龄组（Y：年轻成年人；K：年轻老年人；C：百岁老人；S：半超级百岁老人）之间差异代表的细菌物种标准化相对丰度的盒形图（P＜0.05，Kruskal-Wallis检验）。（B）各年龄组间差异表达的KEGG通路的标准化丰度的盒形图（P＜0.05，Kruskal-Wallis检验）。（C）顶部的条形图显示了KEGG通路对氨基酸、碳水化合物、脂质和外源性代谢的分类代谢构型，即每个途径对分配给每个特定代谢的总标准化读数的平均相对贡献。在面板底部为标准化读取的平均数（CPM±SEM）。图中显示了年龄组之间的显著差异。
乙苯、氯苯、氯环己烷和甲苯是普遍存在的化学品，主要来源于工业生产和城市排放物，由于其毒性作用，它们作为大气主要环境污染物的一部分受到全世界的监测。这些分子的主要人为来源是机动车和废气排放，以及香烟烟雾。此外，众所周知，它们也是在加工精制石油产品（如塑料）过程中的产物，也存在于普通消费品中，如油漆、油漆、稀释剂和橡胶制品。己内酰胺是尼龙的原料，用于生产许多室内产品，如合成纤维、树脂、合成革和增塑剂。已有研究表明，这些分子在室内的负荷比在室外环境中更高，并强调室内暴露对人体健康的重要性。事实上，生活在此类物质较多的环境中（例如意大利的埃米利亚-罗曼尼亚地区），会导致这些物质持续不断地暴露在环境中，进而促进它们在人体组织（包括肠道在内）中的维持和逐步积累。研究人员认为，这将为人类宿主选择能够对这些化合物解毒的肠道微生物组分创造合适的条件，并在微生物组和宿主适应人类环境方面实现互利。事实上，最近的研究表明，城市西部人群中与人类相关的微生物群落在功能上适合降解外源分子，包括己内酰胺。在最近的另一项研究中，发现非哮喘个体的上呼吸道微生物群比哮喘患者具有更大的己内酰胺代谢能力，这进一步证明了人体微生物群在对外源性暴露作出反应方面的重要性。根据该作者的说法，在呼吸道微生物群中选择己内酰胺降解微生物，将减少宿主对室内空气污染物的暴露，最终对人体健康产生影响。
百岁老人和半超级百岁老人都是长寿的人，因此，他们可能会曾有过暴露于外源性压力源的历史。此外，由于他们的行动能力降低，这些受试者往往比年轻人在自己的房子里呆的时间更长（图S3），因而吸收的室内污染物会增加。因此，很容易推测，由于更持久地接触这些化学物质，他们的微生物群更容易降解这些外源物质。还值得注意的是，这些代谢功能由属于人类核心微生物组群的共生细菌所拥有，即迄今为止被采样的所有人类群体的微生物群所共有的微生物类群（图3）。综上所述，本研究推测长寿人群肠道微生物对外源代谢能力较强，这可能与这些长寿人群的生活习惯等相关。长期的生活在稳定的生活环境，导致这些外源性化学物质在宿主组织中的积累可能是他们可以长寿的原因。
图3 在长寿的个体中，共生菌对外源性降解的贡献显著更高。方块图显示了人类核心肠道微生物群中携带外源降解基因的细菌百分比。核心微生物组的成员是在前人工作的基础上确定的。
讨论
本研究通过使用宏基因组学分析半超级百岁老人（即人口统计学上非常罕见的达到人类寿命极限的受试者，大于105岁）的肠道微生物群，首次描述了人类肠道微生物群的变化是与年龄增长相关的。除了确认老年人肠道微生物群的已知分类特征外，将人类核心肠道微生物群的定义扩展到物种水平，并提供了随老化而发生的功能变化的准确描述。在该研究团队之前的研究中，已证明意大利成年人的肠道微生物群有能力降解外源化合物，这可能是对暴露于这些化合物中的一种功能性反应，在此提出了一个有趣的假设，即西方城市环境中的老龄化会逐渐选择具有对特定外源物质代谢能力的共生微生物菌株。我们推测这可能是人类对老化过程中不断增加的外源物质暴露和积累的适应性反应。正如最近讨论最多的问题：未来的研究应该着眼于更好地理解外源性暴露与人体肠道微生物群之间复杂的相互作用。个体肠道微生物群结构必须与个人暴露水平相匹配，后者通过监测粪便和体液中的外源物质进行解剖。此外需要考虑潜在微生物适应变异的机制，因而必须进行长期的纵向研究，这是外源性解毒微生物组功能自上而下选择过程的结果，以及对宿主健康保护的最终影响。鉴于本研究中出现的外源化合物如今在现代城市地区随处可见，因而为了充分了解这些分子对人类全生物进化史的影响，通过分析前工业时代的样本，评估古微生物群落的外源降解能力也很有意义。这种类型的研究将有助于阐明在本研究中发现的长寿宿主肠道微生物群的特殊功能特征是否是现代城市社会中人类衰老生理学固有的适应性和重塑过程的结果。
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