Genetică statistică și metodologie

Acest articol face parte din subiectul de cercetare

Metode statistice și computaționale pentru date multi-omice microbiom Vizualizați toate cele 11 articole

Editat de
Lingling An

Universitatea din Arizona, Statele Unite

Revizuite de
Alexander Alekseyenko

Universitatea de Medicină din Carolina de Sud, Statele Unite

Zhigang Li

Universitatea din Florida, Statele Unite

Afilierile editorului și ale recenzenților sunt cele mai recente oferite în profilurile lor de cercetare Loop și este posibil să nu reflecte situația lor în momentul examinării.

subiecți

  • Descărcați articolul
    • Descărcați PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Suplimentar
      Material
  • Citarea exportului
    • Notă finală
    • Manager de referință
    • Fișier TEXT simplu
    • BibTex
DISTRIBUIE PE

Cercetare originală ARTICOL

  • 1 Departamentul de Biostatistică și Informatică Medicală, Universitatea din Wisconsin - Madison, Madison, WI, Statele Unite
  • 2 Wisconsin Institute for Discovery, Madison, WI, Statele Unite
  • 3 Departamentul de Statistică, Universitatea din Wisconsin - Madison, Madison, WI, Statele Unite
  • 4 Departamentul de Biostatistică, Centrul Medical al Universității Vanderbilt, Nashville, TN, Statele Unite
  • 5 Divizia de Medicină Cardiovasculară, Centrul Medical al Universității Vanderbilt, Nashville, TN, Statele Unite
  • 6 Division of Pediatric Endocrinology, Children's’s Hospital din Philadelphia, Philadelphia, PA, Statele Unite
  • 7 Vanderbilt Technologies for Advanced Genomics (VANTAGE), Centrul Medical al Universității Vanderbilt, Nashville, TN, Statele Unite
  • 8 Vanderbilt Translational and Clinical Cardiovascular Research Center (VTRACC), Vanderbilt University Medical Center, Nashville, TN, Statele Unite

Introducere

Microbiomul uman este un ecosistem complex de bacterii, viruși, ciuperci și bacteriofagi, care interacționează între ei și cu gazda lor (Sears, 2005; Goodman și Gordon, 2010; Minot și colab., 2011). Compoziția microbiomului este unică pentru o persoană, este stabilită la începutul vieții și joacă un rol crucial în sănătatea pe tot parcursul vieții (Kau și colab., 2011; Minot și colab., 2011; Maynard și colab., 2012; Koren și colab., 2013; Mohammadkhah și colab., 2018). Descoperirile recente care implică microbiomul în boli au schimbat paradigma. Cu toate acestea, nu înțelegem încă mecanismele moleculare care leagă microbiota de starea de sănătate.

Există o specificitate considerabilă a sitului în compoziția microbiomului, cu populații distincte care locuiesc în fiecare sit corp al unui individ (Faust și colab., 2012; Ding și Schloss, 2014). Contribuțiile relative ale microbiotei la fiecare loc al corpului la sănătatea generală a gazdei nu sunt încă definite în mod clar, dar probabil depind atât de natura bolii, cât și de sănătatea generală a gazdei (Zhang și colab., 2015). Compoziția microbiomului intestinal are un interes deosebit, având în vedere locația sa la interfața crucială dintre aportul alimentar exogen și metabolismul intern al nutrienților. Translocarea microbilor și a metaboliților microbieni de la intestin la sânge poate apărea în absența bolilor intestinale, de exemplu în timpul endotoxemiei metabolice post-prandiale induse de dietă (Moreira și colab., 2012; Pendyala și colab., 2012; Piya și colab. ., 2013). Microbiomul intestinal, în combinație cu dieta obișnuită, joacă probabil un rol major în determinarea permeabilității membranei mucoasei intestinale și influențarea inflamației sistemice (Moreira și colab., 2012; Pendyala și colab., 2012).

Numeroși factori determină populația specifică de microbiotă la om, dieta contribuind esențial (Zeevi și colab., 2015; Ferguson și colab., 2016). Componentele dietetice specifice acționează ca substraturi pentru metabolismul microbian, modelând compoziția și funcția microbiomului. Au fost raportate asociații multiple de macronutrienți-microbiomi, inclusiv aportul de carbohidrați și Prevotella abundență (Wu și colab., 2011), aport de grăsimi saturate și Bacteroides și Faecalibacterium prausnitzii, și aportul de proteine ​​animale și Bacteroides și Alistipe (De Filippo și colab., 2010; Cotillard și colab., 2013; David și colab., 2014). Compoziția microbiomului a fost legată de boală prin modularea metaboliților specifici și căi de semnalizare (Wang și colab., 2011; Koeth și colab., 2013; Marcobal și colab., 2013; Tang și colab., 2013). S-a constatat că metabolizarea microbiană intestinală a carnitinei derivate din produse animale către metabolitul pro-aterogen trimetilamină N-oxid (TMAO) se asociază cu un risc aterosclerotic crescut (Wang și colab., 2011; Koeth și colab., 2013). Multe alte componente dietetice pot modula riscul bolii prin mecanisme paralele.

Am emis ipoteza că dieta obișnuită este asociată cu compoziția microbiomului la oamenii sănătoși și că compoziția microbiomului este asociată cu metaboliții intestinali și plasmatici. Folosind analiza eșantionului multi-omic la până la 150 de subiecți sănătoși, am profilat microbiomul (16S rRNA; scaun și salivă) și metabolomul (scaun și plasmă) pentru a examina interacțiunea dintre dietă, microbiom și metabolismul sistemic. Rezultatele noastre identifică relațiile globale și evidențiază asocieri noi între componentele dietetice specifice și metaboliții circulanți, care sunt modulați de bacteriile intestinale și pot avea consecințe asupra stării de sănătate și a riscului de boală viitor.

Materiale și metode

Populația de studiu

Prelucrarea probelor, extragerea ADN și secvențierea

Metabolomica

Eșantioane pentru un subset de indivizi (N = 75 plasmă și N = 75 scaun, subiecți asortați) au fost profilați la Metabolon (Metabolon Inc., Morrisville, NC, Statele Unite) utilizând platforma lor globală de metabolomică, care poate identifica și cuantifica> 1.000 de metaboliți prin metode multiple de spectrometrie de masă. În studiul nostru, 812 metaboliți au fost detectați în plasmă și 770 în probe de scaun. Pentru fiecare metabolit, intensitatea de vârf brută a fost redefinită pentru a seta mediana pentru toate probele egală cu 1, iar valorile sub limita de detecție au fost imputate cu cea mai mică valoare observată în setul de date. Analiza de îmbogățire a căilor metabolite a fost realizată folosind MetaboAnalyst (Xia și Wishart, 2011).

Prelucrarea datelor pentru variabilele de microbiomi, dietetice și metabolite

Analiza corelației la distanță

Pentru a evalua asocierea globală dintre perechile de variabile de înaltă dimensiune între dietă, microbiom și metabolomică, am folosit corelația la distanță t-test (Székely și Rizzo, 2013) implementat în pachetul R „energie” pentru a testa dependența dintre fiecare pereche a acestor trei tipuri de date. Comparativ cu corelația Pearson, corelația la distanță (Székely și colab., 2007; Székely și Rizzo, 2009) este o abordare non-parametrică (fără presupunere distributivă) și are puterea de a detecta dependența generală (neliniară) între două seturi de variabile aleatorii de înaltă dimensiune. Corelația distanței t-testul permite ca dimensiunea vectorilor aleatori să fie mai mare decât dimensiunea eșantionului. Abilitatea de a detecta dependența generală și de a gestiona dimensiunea înaltă a datelor face corelația la distanță t-test adecvat pentru analiza acestui set de date.

Analiza enterotipurilor microbiene

Am efectuat grupări bazate pe distanță folosind metoda Partitioning Around Medoids (PAM) (Kaufman și Rousseeuw, 1987) cu diferitele distanțe, inclusiv Euclidean, Bray-Curtis și Jaccard, și am identificat două enterotipuri. Pentru a evalua dacă asociațiile dietă-metabolit sunt modulate de enterotip microbian, am testat interacțiunea dietă-enterotip prin regresie liniară pentru fiecare pereche de variabile dietă-metabolit, având ca rezultat metabolitul, folosind metaboliții individuali mai degrabă decât modulele metabolitului.

Model de contrast cu jurnal liniar rar

Analiza medierii microbiomului

Am luat în considerare modul în care efectul unui nutrient dietetic asupra unui metabolit este transmis prin comunitățile microbiene. Mai exact, am fost interesați să identificăm taxa microbiană care mediază calea dietă-metabolit. Ne-am concentrat pe perechi de variabile ale dietei-metabolit legate de cel puțin un gen comun identificat de modelul log-contrast în secțiunea 2.7 și am aplicat analiza medierii tripletului microbiom-dietetic-metabolit. Primele 50 de genuri cele mai abundente au fost utilizate ca mediatori candidati la microbiomi. Pentru a gestiona natura compozițională și de înaltă dimensiune a mediatorilor de microbiomi, am folosit analiza de mediere compozițională de ultimă generație pentru datele despre microbiomi (pachetul R ccmm) (Sohn și Li, 2019). Sunt necesare anumite ipoteze pentru a face o interpretare întâmplătoare a efectelor medierii (Imai și colab., 2010; Sohn și Li, 2019). În special, ipoteza cheie presupune că nu există nicio variabilă de confuzie nemăsurată după controlul covariabilelor. Metoda ne permite să estimăm efectele totale de mediere ale compoziției microbiomului, precum și să selectăm taxoni microbieni importanți care mediază asocierea diete-metaboliți și să estimăm efectele medierii specifice taxonului.

figura 1. Prezentare generală a proiectării studiului, caracteristicilor subiectului și disponibilității eșantionului multi-omic.

Rezultate

Microbiomul intestinal este legat de dietă și metaboliți la nivel global

Am efectuat o analiză globală utilizând corelația la distanță t-test pentru a obține o viziune integrată a relațiilor și a importanței relative a măsurilor dietetice (dieta pe termen scurt și pe termen lung), a probelor de microbiomi la locul corpului (scaun și salivă) și a metaboliților (scaun și plasmă). Așa cum se arată în Figura 2, au existat inter-relații considerabile, cu asocieri deosebit de puternice între microbiomul intestinal și metabolomul intestinal (p = 2,2 × 10 −10) și între dieta pe termen lung și microbiomul intestinalp = 7,8 × 10 −4). Dieta pe termen scurt a fost asociată semnificativ cu metabolomul intestinal și plasmatic (p −3), dar nu și microbiomul. Nu am găsit asociații globale între microbiomul oral derivat din salivă și alte tipuri de date. În cadrul tipurilor de date, a existat o corelație globală foarte puternică între dieta pe termen scurt și lung (p −15), și între metaboliții din scaun și plasmăp = 2,1 × 10 −8), dar nu între intestin și microbiom oralp = 0,7). Pe baza dovezilor din analiza globală, am decis să ne concentrăm analizele rămase pe microbiomul intestinal și dieta pe termen lung și să evaluăm interacțiunea acestora cu intestinul și metaboliții circulanți.

Nutrienții dietetici sunt asociați cu microbii intestinali

Am emis ipoteza că compoziția microbiomului intestinal ar varia în funcție de aportul de substanțe nutritive specifice. Din modelul de log-contrast, am identificat 61 (67%) substanțe nutritive pe termen lung asociate cu cel puțin un gen bacterian (Figura 3). Mai mulți nutrienți asociați cu trei sau mai multe genuri, așa cum se arată în tabelul 1. Acești nutrienți dietetici s-au găsit predominant în alimente derivate din plante și produse lactate, sugerând că includerea sau excluderea acestor grupuri alimentare în dietă poate fi deosebit de importantă în modularea o bună compoziție de microbiomi.

Metaboliții circulatori și intestinali sunt asociați cu microbii intestinali

Am emis ipoteza că compoziția microbiomului intestinal se va asocia cu metaboliți specifici din intestin și circulație, reflectând metabolismul specific taxonului. Am identificat 123 (66%) variabile și module ale metabolitului circulant și 34 (71%) variabile și module ale metabolitului intestinal asociate cu cel puțin un gen bacterian (Figurile 4, 5). Mai mulți metaboliți au fost asociați cu mai multe genuri, așa cum se arată în Tabelul 2. Dintre acești metaboliți puternic legați de bacterii, mulți au funcții cunoscute în metabolismul acidului biliar, metabolismul lipidelor și aminoacizilor sau metabolismul xenobioticelor, subliniind rolul important al microbilor în modularea metabolismul gazdei în căile cheie.

Figura 2. Prezentare generală a relațiilor globale dintre microbiotă, dietă și metaboliți. Linia groasă: corelația distanței t-Test p-valoare −5; linie subțire: corelația distanței t-test 10 −5 −1 .

Figura 3. Asocieri între aportul obișnuit de nutrienți din dietă și microbiomul intestinal. Intensitatea culorii reflectă magnitudinea coeficienților de asociere dintre variabilele dietetice și taxe.

Taxa bacteriană intestinală mediază asocierea dintre nutrienții dietetici și metaboliții

Ne-a interesat dacă taxonii bacterieni intestinali mediază relația dintre dietă și metaboliți. Analiza medierii a relevat mai mulți taxoni care influențează asocierea dintre aportul alimentar și metaboliții din plasmă sau scaun. Având în vedere relațiile dintre variabilele metabolice, ne-a interesat ce căi au fost cele mai afectate de medierea microbiomului. Am identificat căi metabolice cu dovezi pentru efecte puternice asupra dietei-microbiom, definite ca având 3 sau mai mulți metaboliți într-o sub-cale cu asociații semnificative ale dietei mediate de microbiom sau asocierea cu un modul de metabolit (Tabelul 3). Acestea includeau metabolismul aminoacizilor (histidină, fenilalanină și tirozină), metabolismul lipidelor (acizi grași, acizi biliari și steroizi) și xenobiotice (benzoat și componente alimentare). Dintre variabilele dietetice, substanțele nutritive derivate din plante (vitamine și fitochimicale) și metalele au fost puternic reprezentate. Datele noastre sugerează că fluxul metabolic prin aceste căi este deosebit de susceptibil la interacțiunea dintre aportul alimentar și compoziția microbiomului.

tabelul 1. Aportul pe termen lung de nutrienți alimentari asociați cu cel puțin trei taxoni microbieni intestinali.

Diferențe în abundența de metaboliți după enterotipul microbian intestinal

Având în vedere importanța acizilor biliari atât în ​​metabolismul intestinal, cât și în riscul bolilor cardiometabolice, am fost interesați în special de efectele observate ale dietei mediate de microbiomi asupra semnalizării acidului biliar. După cum se arată în Figura 6, aportul obișnuit de fibre dietetice a fost asociat cu ursodeoxicolat plasmatic mai mare la persoanele cu enterotipul 1, dar nu a existat nicio relație între dietă și ursodeoxicolat în enterotipul 2. În schimb, fibrele dietetice ridicate au fost asociate cu scăderea taurodeoxicolatului plasmatic la persoanele cu enterotipul 1 și niveluri ușor crescute în enterotipul 2. Mulți dintre acizii biliari circulanți au fost puternic corelați între ei și, ca atare, rezultatele pentru taurodeoxicolat reprezintă asocieri semnificative similare pentru fibrele dietetice cu taurocolat, taurolitocolat 3 sulfat, glicolitocolat, glicolitocolat sulfat, taurochenodeoxiclat, glicodoxicolat, glicocolat și sulfat de glicodoxicolat (corelație Spearman> 0,5 pentru perechea de metaboliți și p Cuvinte cheie: microbiom, dietă, metabolom, analiză multi-omice, mediere, interacțiune

Citare: Tang Z-Z, Chen G, Hong Q, Huang S, Smith HM, Shah RD, Scholz M și Ferguson JF (2019) Analiza multi-omică a microbiomului și metabolului la subiecți sănătoși relevă relațiile dependente de microbiomi între dietă și metaboliți. Față. Genet. 10: 454. doi: 10.3389/fgene.2019.00454

Primit: 29 ianuarie 2019; Acceptat: 30 aprilie 2019;
Publicat: 17 mai 2019.

Lingling An, Universitatea din Arizona, Statele Unite

Zhigang Li, Universitatea din Florida, Statele Unite
Alexander Alekseyenko, Universitatea Medicală din Carolina de Sud, Statele Unite

† Acești autori au contribuit în mod egal la această lucrare