基本信息
标题：未治疗的系统性红斑狼疮患者的肠道菌群具有促炎和致自身免疫的特征
Title：The gut microbiota of non-treated patients with SLE defines an autoimmunogenic and proinflammatory profile
Arthritis & Rheumatology [IF: 9.586]
DOI: /10.1002/art.41511
第一作者：陈蓓迪、贾鑫淼、徐嘉悦
通讯作者：张烜、王军、George C. Tsokos
主要单位：
中国医学科学院北京协和医院（Department of Rheumatology and Clinical Immunology, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College Hospital）
中国科学院微生物研究所（CAS Key Laboratory for Pathogenic Microbiology and Immunology, Institute of Microbiology）
哈佛医学院（Department of Medicine, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School）
热心肠日报：https://www.mr-/papers/read/1073306606
摘要
目的：尽管近年来研究表明肠道菌群改变与系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）有关联，但相关知识还十分有限。本研究旨在为异常肠道菌群通过调节免疫应答调控SLE发生发展提供更为深入的理解。
方法：我们运用全基因组鸟枪测序法对117名近期未治疗的SLE患者（其中52名包含治疗后样本）和115位性别、年龄匹配的健康对照的粪便菌群进行了检测，并同时分析了MRL/lpr狼疮小鼠的肠道菌群作为比较。运用基于SNP的菌株层面分析，我们探究了SLE患者肠道富集的菌种是否来源于口腔菌群。此外，我们还借助生信比对和体外功能实验探索了细菌肽段通过分子模拟机制激活SLE免疫应答的可能。
结果：SLE患者的肠道菌群和健康对照在物种组成和功能分布上均具有显著差异。我们发现下列菌种在SLE患者肠道富集、而治疗后则显著降低：Clostridium sp. ATCC BAA-442、Atopobium rimae、Shuttleworthia satelles、Actinomyces massiliensis、Bacteroides fragilis和 Clostridium leptum。在菌群功能上，SLE肠道菌群LPS合成能力提高而支链氨基酸（BCAA）合成能力下调。源于狼疮小鼠的宏基因组分析结果也与SLE患者有相当的相似之处。有趣的是，在SLE患者肠道富集的部分菌种被报道与口腔炎症相关、且生信分析提示它们来源于口腔菌群。此外，我们还发现了两个源于SLE富集菌的细菌肽，它们与已知的自身抗原表位相似，可通过分子模拟机制激活部分SLE患者的免疫应答。
结论：我们的研究为未经治疗干预的SLE患者肠道菌群特征提供了更为丰富的信息，其中包括菌群的功能改变、与动物模型的相似处、部分细菌的口腔来源以及可模拟自身抗原的细菌肽。我们的数据提示，调节肠道菌群的干预方法或能成为针对SLE的潜在辅助治疗方法。
背景
SLE是一种以慢性炎症和多器官损伤为特征的典型的自身免疫性疾病，主要源于患者的自身耐受降低和持续自身抗体产生。SLE中大量自身免疫应答发生的机制尚未被完全阐明；除了遗传因素和环境触发因素外，肠道菌群对宿主免疫系统的重要调节作用也逐渐引起了人们的注意，但目前人们缺乏对涉及机制的完整了解。
饮食和地理等多种因素均会影响肠道中菌群的组成和功能。肠道菌群与宿主之间存在复杂的相互作用，其建立与宿主免疫系统的发育和功能密切相关。研究人员在多种自身免疫性疾病的患者中发现了异于常人的肠道菌群组成，包括类风湿关节炎、强直性脊柱炎和白塞病等。最近的一些菌群研究也提示SLE患者肠道中某些细菌异常增多，表明肠道细菌失衡与SLE发生发展之间很可能存在某些关联。迄今为止，多种关于失调肠道菌群如何导致自身免疫的假说被提出，其中就包括异常的肠道菌群易位、对自身抗原表位的分子模拟和菌群代谢产物改变导致的异常免疫应答。
有关SLE患者肠道菌群改变的前期报道全部基于16s rDNA扩增子测序；随着技术的发展，鸟枪法全基因组测序可以提供更为丰富的菌群信息，包括对物种更准确的识别以及菌群功能信息的提供。我们对未经治疗的SLE患者粪便进行了鸟枪法宏基因组测序和分析，发现SLE患者肠道中异常富集的特殊菌种可以通过模拟已知自身抗原来促进炎症，并且这些富集的菌种很可能部分来源于口腔菌群的移位。此外，SLE患者与MRL / lpr小鼠（经典狼疮小鼠模型）的肠道菌群共享更多的特征性代谢改变、而非物种组成改变。
主要结果
1. SLE患者肠道菌群的物种组成和功能特征
我们采集了3个月内未经治疗（糖皮质激素和免疫抑制剂）和抗生素干预的117名SLE患者的粪便，同时采集115名性别和年龄匹配的健康人作为对照，通过鸟枪法宏基因组测序进行了肠道菌群的分析。其中52名患者还在有效治疗、病情缓解后（SLEDAI疾病活动指数显著降低）提供了治疗后的粪便样本作为对照。提取的粪便DNA在Illumina Hiseq平台进行测序和建库，每个样本至少获得56 million reads并截取持平以保证可比性。经过质控的reads通过MetaPhlAn2 and HUMAnN2软件分别获得了微生物物种和功能的注释。
（图1）基于species层面的分析表明，SLE患者肠道菌群的α多样性显著降低，其中尤其在患有狼疮肾炎（LN）的患者中降低更为明显。β多样性的分析也显示SLE患者肠道菌群物种组成分布与健康对照存在显著差异，并且治疗前后相比也有差异。有趣的是，有6个菌种在SLE患者肠道显著增多、而治疗后又显著降低，包括Clostridium sp. ATCC BAA-442, Clostridium leptum, Atopobium rimae, Shuttleworthia satelles, Actinomyces massiliensis 和 Bacteroides fragilis。
图1
（图2）基于MetaCyc通路注释的结果表明，SLE患者肠道菌群的功能潜力与健康对照也存在差别，并且PERMANOVA检验表明功能差异比物种组成差异更为显著。其中在SLE患者中显著增多、治疗后减少的通路为LPS组成部分O抗原的合成；而在SLE患者中显著减少、治疗后得以恢复的通路有支链氨基酸（BCAA）的合成、肌醇降解和硫胺素（维生素B1）合成。
图2
2. SLE患者肠道菌群改变的临床关联性
（图3，上）多因子分析表明，不论是在SLE患者还是在所有样本中，血肌酐（Cr）水平都能解释肠道菌群的物种组成。（图3下）此外，在SLE肠道富集的或治疗后减少的细菌中，部分细菌的粪便相对丰度与SLE常规临床指标存在不同程度的显著关联。
图3
3. SLE患者和狼疮小鼠的共性肠道菌群改变
（图4）为了进一步了解狼疮相关的肠道菌群改变，排除一些可能的假阴性结果，我们还检测了狼疮易感小鼠MRL/lpr在发病时的粪便菌群改变。我们发现，MRL/lpr小鼠粪便菌群功能特征与SLE患者的肠道菌群功能改变具有一定的重叠；这些共享的功能改变提示，肠道菌群介导的精氨酸、色氨酸和支链氨基酸等相关代谢异常可能对SLE进展存在一定的调节。这些代谢功能的改变都是未来自身免疫领域菌群相关功能验证可以探索的方向。
图4
4. SLE患者肠道富集菌部分源于口腔移位
有趣的是，我们发现在SLE肠道中发现的这些标志菌种，有三个都被报道与口腔炎症相关；这让我们想到这些菌群是不是有可能部分来源于口腔。于是，我们纳入了一个新的16人健康队列的口腔唾液宏基因组数据，利用菌株的SNP特征分析来判断SLE肠道标志菌种的SNP特征是不是与健康唾液样本更为接近。（图5）StrainPhlAn及后续聚类分析表明，这3种菌种在SLE患者肠道（而非健康对照肠道）的SNP特征，与新健康队列唾液样本的SNP特征更加接近，提示SLE患者肠道富集菌很可能部分来源于口腔。
图5
5. SLE患者肠道富集菌表达肽段的分子模拟现象
最后，我们汇总了在SLE患者肠道富集的和治疗后降低的菌种，将他们的基因组与从免疫表位数据库（IEDB）中获得的已被证实为SLE自身抗原表位的肽段进行了BLAST比对，并用体外ELISPOT实验验证其中与自身抗原表位高度相似的细菌肽是否可激活淋巴细胞产生炎性反应。（图6）我们发现Odoribacter splanchnicus和Akkermansia muciniphila产生的肽段不仅分别与SLE自身抗原Smith抗原和Fas抗原的表位高度相似，还可分别激活CD4+T细胞和B细胞，即二者可能通过分子模拟机制参与SLE发生发展。
图6
总结
本研究对大规模的近期未被治疗干预的SLE患者肠道菌群进行了全基因组深度测序，并同时收集了SLE患者治疗后的和狼疮小鼠的粪便样本进行比较分析。我们的结果表明，SLE患者的肠道菌群存在显著异常、并具有特殊的功能改变；我们还发现了两条来源于SLE肠道富集菌种的肽段，可通过交叉反应刺激SLE患者淋巴细胞的炎性反应； 此外，SLE患者肠道中某些富集的菌种可能来自于口腔菌群，这可能既导致了肠道炎症、又促进了自身免疫。我们的研究通过大样本无治疗干预的临床队列加深了对SLE肠道菌群特征的理解，并提出了异常肠道菌群参与SLE疾病进展的一些可能机制。对于SLE患者肠道菌群特征的全面解析和相关机制的进一步探索将有助于菌群相关辅助治疗的开发和在自身免疫性疾病中的运用。
通讯作者
张烜
张烜，主任医师，北京协和医院长聘教授，风湿免疫科常务副主任，中国医学科学院临床免疫中心主任，中华医学会风湿病学分会第10、11届副主任委员，北京医师协会风湿免疫分会会长。担任Clin Immunol等7种国际期刊副主编或编委, 国家自然科学基金重大专项指导专家组成员，亚太风湿病联盟(APLAR)科学委员会委员，国际免疫联盟(IUIS)临床免疫委员会委员。国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，首批中组部万人计划领军人才入选者，卫生部有突出贡献中青年专家，享受国务院政府津贴，
作为首席专家牵头主持国家十三五精准医学自身免疫病重大专项、国家自然科学基金重点项目等20余项科研基金，对风湿免疫病的临床诊治和发病机制进行广泛深入的研究，研究成果在《Science Transl Med》《Nat Med》《Trends Mol Med》《Ann Rheum Dis》《Arthritis & Rheumatol》等主流SCI期刊发表论文160篇，总被引6000余次，先后获得第十届中国青年科技奖、中华医学科技一等奖、北京市科技进步一等奖等十多项科技奖励。
王军
王军，研究员，博士生导师，中科院微生物所，院病原与免疫重点实验室，德国马普学会合作伙伴小组组长。
研究工作主要包括大人群水平上的肠道菌群研究。通过整合和挖掘大数据的方法研究影响因素更加复杂的人类菌群，以及他们的多样性对于人类健康的影响。研究成果在Science、Nature Medicine、Nature Genetic、Cell Host Microbe和Gut等顶刊发表。现阶段研究组涉及分子进化、数量遗传学、疾病的遗传学因素和环境因素、微生物生态和功能分析等。
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学习16S扩增子、宏基因组科研思路和分析实战，关注“宏基因组”
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