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04-192022

学术成果 | 凯莱谱客户Nature子刊发文——利用多组学研究手段揭示长寿人群肠道菌群与代谢特征的关系

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2022年4月14日,凯莱谱代谢组学实验室助力合作伙伴上海市第十人民医院在Nature子刊《Nature Aging》在线发表了针对116个超高龄长寿老人家庭人群的多组学研究成果[1]。该研究利用代谢组、基因组、肠道菌群宏基因组和社会经济学等多个维度,揭示了长寿老人的相关分子特征和相互关联。相较于单纯的遗传标志物,基于代谢表型-基因的关联标志物具有更好的长寿标志物潜力,且将有可能发挥更巨大的潜在研究价值凯莱谱代谢组学实验室高质量地完成了本研究中血浆样品的非靶向和靶向代谢组学检测。

随着全球工业化的持续发展和社会的不断进步,人类的预期寿命在过去几个世纪得到了显著的提高。伴随着人均寿命的增长,老年群体的人数也不断扩大,随之带来的老年人疾病治疗负担也在不断增加[2],如何实现长寿以及健康的长寿成为了当下社会和衰老研究关注的一个重要问题。

以往的年龄或长寿相关的代谢组或菌群研究都是比照年龄匹配的疾病队列研究,主要着眼于发现差异特征;在本研究中,作者们创新性地设计了基于江苏省启东县的116名超高龄长寿老人(94-105岁)和他们的后代(50-79岁)的纵向队列,并利用这一健康人群队列开展了宏基因组、血液代谢组、全外显子测序检测,同时结合社会经济学因素、生活习惯和药物使用情况等进行了多组学联合研究,分析了两个年龄段变化最大的与最稳定的特征。

通过宏基因组检测,作者们发现了长寿老人肠道菌群的复杂变化轨迹和重构过程。无论是菌群组成还是功能基因组成都发生了显著的改变。与之相对应的血液代谢组检测也证实了超高龄老人和他们的子女在代谢物水平上有着明显的差异。非靶向代谢组学研究共检测到945个血浆代谢物。采取浓度变化在长寿组和后代组之间大于两倍的标准筛选共发现72个显著差异的代谢物(绝大部分的FDR < 5 × 10?5)。基于凯莱谱自建代谢物数据库的代谢物分类,以DHEA-S、epiandrosterone sulfate 和 androsterone sulfate这三个相互关联的雄性类固醇激素为代表的雄性激素水平随着年龄增加出现了显著的下降。DHEA-S浓度的下降被报道与阿尔兹海默症的发生有着显著的关联。许多在长寿老人中升高了两倍以上的代谢物也都和健康呈负相关,比如imidazole propionate的升高增加了2型糖尿病发生的风险。十几种显示肾脏功能受损的尿毒素比如5-(galactosylhydroxy)- 1-lysine, hippurate和1-urobilin等也显著升高。这些代谢物的显著改变,揭示了长寿老人在整体代谢功能的某些方面发生着衰弱与恶化,很多这些代谢上的变化还可以从本研究发现的肠道菌群组成的变化上得到解释

尽管有如此多影响健康状况的代谢物变化,但与炎症相关的细胞因子interleukin (IL)-1β 和 tumor necrosis factor (TNF)在长寿老人和他们的后代血浆中相比相对稳定,并没有发生大的变化,说明低炎症水平似乎是长寿的一个重要因素

图1. 超高龄老人(advanced age)及其子代(offspring)在肠道菌群(左)和血液代谢谱(右)上的差异

相比于显著改变的代谢物,那些在超高龄老人血浆中和他们的子代相比浓度相对稳定的代谢物更值得我们的关注。代谢组学研究共发现137个这样的血浆代谢物,其中十余个属于多不饱和脂肪酸 (PUFAs),说明稳定的脂肪酸代谢在长寿中的重要作用。与能量代谢三羧酸循环途径相关的代谢物succinylcarnitine 和α-酮丁酸(α-ketobutyrate)在超高龄老人的血浆中也相对稳定。在肠道菌群方面,包括Alistipes putredinisBacteroides uniformis等在内的多种肠道菌群也在超高龄老人和他们的子代中保持了相对的稳定性。

对宏基因组、代谢组和全外显子测序的联合分析发现了一些QTL(数量性状基因座,quantitative trait loci)在长寿老人及其后代两个世代间有着明显的世代特征性。通过对基因组数据和代谢组学数据的联合分析发现了一些代谢QTLs,包括在超高龄老人中发现了590 个代谢QTLs (涉及到 109 个血浆代谢物和463个基因位点),在超高龄老人子代队列中发现了1,182个代谢 QTLs (涉及到247个代谢物和876 个基因位点) 。在去除外源的代谢QTLs以后(例如涉及到药物和食物代谢物的QTLs),最终在超高龄老人中得到333个代谢QTLs,在他们的子女中得到883个代谢QTLs。其中有131个代谢QTLs在超高龄老人和他们的子女中共同存在。有些QTLs的关联从功能方面可以得到解释,比如FADS1/2 基因参与多不饱和脂肪酸(PUFAs)合成,它和花生四烯酸arachidonate 和1-stearoyl-2-arachidonoyl-GPC的变化紧密关联;CRAT 基因编码carnitine O-acetyltransferase,它和琥珀酰肉碱succinylcarnitine 的变化紧密相关;CNDP2 编码一个dipeptidase酶,和valylglycine, valylleucine 及 leucylglycine的变化紧密相关。

长寿相关遗传标志物数量匮乏是长寿研究的一个长期困扰。相较于疾病研究,长寿研究往往在年龄差异不大的健康人群间(例如80岁对比105岁)开展,这两类人群在表型上的相似性可能会导致长寿遗传标志物难以被发现。而长寿研究常用的模式动物线虫(Caenorhabditis elegans),受基因影响它的寿命可能相差几倍,因此目前在线虫基因组中就发现了大量的长寿调控基因[3]。在本研究中,研究人员报道了很多新发现的代谢-QTLs关联,特别是一些在两个世代间共有的代谢-基因关联,提示了在长寿人群中与健康密切相关的基因-代谢调控网络。作者们同时注意到,相较于单纯的遗传标志物,这些基于代谢表型-基因的关联具有更好的长寿标志物潜力,且将有可能发挥更巨大的潜在研究价值

本研究还发现超高龄老人的肠道菌群和代谢组对社会经济因素变化的响应大大降低。例如“独居”和11种格兰特阳性细菌的相关只在超高龄老人的子代组中发现,“饮酒”和ethyl α-glucopyranoside浓度的相关也只存在于子代组中。这些发现可能进一步说明了长寿老人的生理反应功能随着年龄增加的衰退。


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 图2. 超高龄老人(advanced age)及其子代(offspring)之间保持一致的肠道细菌(左)和血液代谢物(右)。

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图3. 超高龄老人(advanced age,左)及其子代(offspring,右)的全外显子测序与肠道菌群和代谢物的联合分析结果。浅蓝色方块为在某个世代特异存在的QTL-血液代谢物相关,深蓝色方块为两个世代普遍存在的QTL-血液代谢物相关。

小结:

高质量的组学数据采集、分析是高水平研究成果发表的关键。在本研究中,作者创新性地通过对116位超高龄老人及其子代这两个世代人群的多组学分析比较,分析了两个年龄段变化最大的与最稳定的特征,揭示了长寿老人特征性的肠道菌群组成和血液代谢组特征;从基因组,代谢组和肠道菌群等多维度分析了与长寿相关的众多因素,不仅重新解释了长寿基因标志物少的内在原因,也从两代共有的代谢-基因关联中得到启发并提出了现实的解决方案。这些发现为今后的衰老和长寿健康研究、提升老年人健康状况、改善老年人生活质量等方面都提供了宝贵的线索和信息。


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参考文献:

1. Xu Q, Wu C, Zhu Q, et al. Metagenomic and metabolomic remodeling in nonagenarians and centenarians and its association with genetic and socioeconomic factors. Nature Aging 2022 doi: 10.1038/s43587-022-00193-0[published Online First: Epub Date].

2. Chang AY, Skirbekk VF, Tyrovolas S, et al. Measuring population ageing: an analysis of the Global Burden of Disease Study 2017. The Lancet Public Health 2019;4(3):e159-e167 

3. Uno M, Nishida E. Lifespan-regulating genes in C. elegans. NPJ aging and mechanisms of disease 2016;2(1):1-8 


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