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Gastroenterology | 血清代谢组探索IBD病因和治疗新靶点
炎症性肠病（IBD）包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），已成为影响数百万人的全球性疾病。IBD是由多基因和环境因素引发的胃肠道复杂黏膜免疫反应，并在临床、遗传和分子水平观察到的异质性疾病，体现在个体的代谢组水平的不同差异。西奈山伊坎医学院Ke Hao等研究团队整合了血清、粪便代谢组和基因组数据，使用已知的IBD风险位点进行遗传共定位和孟德尔随机化分析，以探索代谢物与IBD的因果关联，相关成果发表于《Gastroenterology》。
代谢物区分IBD病例和HC
本研究纳入484名溃疡性结肠炎（UC）患者、464名克罗恩病（CD）患者和365名对照者经遴选最终获得973例血清（284例CD，360例UC和329例对照HC）和261例粪便（88例CD,101份UC，和72例HC）（图1A）。非靶向代谢组学技术检测到1435个粪便代谢物（345个未知）和1292个血清代谢物（291个未知）的半定量值，血清和粪便共有的代谢物778个，同时也检测了8种短链脂肪酸的丰度。
图1. 研究流程
获得血清和粪便中的差异代谢物（DMs）（图2A）：（1）IBD与HC（436血清，692粪便），（2）CD与HC（240血清，478粪便），（3）UC与HC（442血清，609粪便），和（4）CD与UC（175血清，无粪便）；或与（5）HBI（147-血清，6-大便），（6）简单临床结肠炎活动指数（SCCAI）（296-血清，69-大便），（7）CD简单内镜评分（SESCD）（370-血清，94-大便），（8）Mayo疾病活动评分（202血清，64粪便）。
对DMs进行通路富集分析（图2B），与疾病状态或活动度相关的粪便代谢物富含脂质、鞘磷脂、溶血缩醛磷脂、溶血磷脂、磷脂酰胆碱和二肽。而血清代谢物却富含纤维蛋白原裂解肽、黄嘌呤和色氨酸代谢产物，区分CD和UC的血清代谢物在纤维蛋白原裂解肽和二酰基甘油类中高度富集。与对照组相比，IBD病例粪便或血清中的SCFA水平较低，或与疾病活动指标呈负相关，但血清或粪便中的丁酸盐与各类IBD均无显著相关性（图2C）。
图2. 与各型IBD显著相关的血清和粪便代谢物
mQTL分析揭示血清代谢物新位点
对血清代谢物进行全基因组关联研究（GWAS），并在63个非重叠基因座内鉴定了173种遗传控制的代谢物，将本研究发现的代谢物数量性状位点（mQTL）与最近发表的所有GWAS和外显子组测序研究进行比对，确定了9个新的mQTLs，其中7个位于新基因座上，观察到80种血清代谢物与先前确定的位点存在新的关联，另有93种关联验证了其他研究的结果。
血清丁酸盐水平与IBD风险无关
SCFAs的mQTL显示血清丁酸水平与Chr12上一个区域的新关联（图3A）。丁酰甘氨酸是该位点的第二个新型mQTL，与乙基丙二酸盐、甲基琥珀酸盐和丁酰肉碱相关，在本研究中重复了3个，乙酰辅酶A脱氢酶（ACADS）的变化是这些关联的基础，因为5种代谢物都可以直接与短链酰基辅酶A脱氢酶（SCAD）功能相关联（图3C），SCAD缺乏症是基于相同代谢物水平升高的生化诊断。使用共定位分析ACADS基因座内血清丁酸盐水平和IBD风险之间是否存在遗传变异，结果没有单核苷酸多态性（SNP）超过显著阈值，表明IBD和丁酸盐之间缺乏共同的遗传起源（图3B）。根据rs35599677的基因型和疾病状态分离队列，rs35599677与粪便和血清中的丁酸水平无显著关联，表明IBD不受血清丁酸水平的影响。
图3. 血清丁酸盐与IBD特征无关
IBD风险位点与代谢物GWAS位点的共定位和MR检验
为了将本研究的mQTL聚焦到IBD上，特别是寻找与IBD因果相关的代谢物，研究人员将代谢物控制基因座与已知的IBD风险基因座相交。在868个非重叠基因座中筛选到58,400个风险变异。从本研究中鉴定的173种遗传控制的代谢物中，17种可以注释为受4个不同IBD风险位点中的1个遗传变异控制（见下表）。对于这17种代谢物，对每个确定的基因座中的IBD风险进行共定位分析，获得了Chr11和 Chr14两个基因座的阳性共定位信号，表明IBD和CD风险与15种独有血清代谢物之间共享因果变异，IBD风险与X-11470代谢物水平（chr6、MSH5、SAPCD1）和纤维蛋白肽A（3-15）水平（chr5、CAST、ERAP）之间缺乏共定位。此外，受IBD风险变异控制的分子均未显示出与UC风险共定位的证据。
为了评估代谢物水平对疾病风险的因果影响，研究者使用MR遗传工具变量（GIV）来估计代谢物暴露对结果（IBD、CD和UC风险）的影响，确定了3个核心的GIV：（1）与代谢物暴露的强关联；（2）与潜在的混杂因素无关；（3）GIV仅通过所测试的代谢物暴露对疾病风险起作用。作者为17种候选代谢物中的每一种选择GIV，这些代谢物是主要代谢组GWAS变异，也是IBD风险变异，17种代谢物中有 11 种显示出高度显著的遗传效应，适用于MR。
IBD 遗传风险变异控制的代谢物
血清omega-6代谢物与CD风险相关
两个GIV在MR分析中显示出显著的OR，预估CD风险与Chr11基因座上含有脂质的omega-6 PUFA之间共定位的高后验概率（图4A）。该区域包含脂肪酸去饱和酶（FADS）基因簇（FADS1/FADS2），已知其遗传变异可改变PUFA去饱和活性和血清的脂质组成。脂质含有FADS酶的omega-6 PUFA产物1-（1-enylpalmitoyl）-2-arachidonoyl-GPC（P-16:0/20:4）*，1-arachidonoyl-GPC（20:4））*，1-palmitoyl-2-arachidonoyl-GPC（16:0/20:4n6）， 1-stearoyl-2-arachidonoyl-GPC（18:0/20:4）和docosatrienoate （22:3n6）*对CD风险具有保护作用（OR 0.84~0.89）（图4B）。而含有亚油酸的脂质（FADS的底物）1-oleoyl-2-linoleoyl-GPE（18:1/18:2）*， 1-palmitoyl-2-linoleoyl-GPE（16:0/18:2）和1-stearoyl-2-linoleoyl-GPE（18:0/18:2）*却对CD存在风险（OR 1.17~1.21）（图4B）。
本研究发现与血清omega-6PUFA相关的SNP rs4246215与先前报道的FADS1因果SNP（rs174557）处于连锁不平衡状态，GTEx数据库显示rs4246215/rs174557与肝和肠组织中FADS1表达呈负相关，rs4246215和血清中含有花生四烯酸的脂质之间存在负相关，可见FADS1活性降低，因此亚油酸向花生四烯酸（AA）的转化减少（图4C-D）。
图4. 必需脂肪酸、FADS1/2和IBD风险之间的遗传共定位
血清缩醛磷脂水平和候选基因TMEM229B与CD风险的因果关系
研究报告了CD风险和缩醛磷酯1-（1-enyl-palmitoyl）-2-palmitoyl-GPC（P-16:0/16:0）血清浓度之间Chr14区域共定位的高后验概率为98.8%，该代谢物与CD风险呈正相关（图5A-B）。涉及的Chr14区域包含PLEKHH1和TMEM229B两个基因。TMEM229B具有编码特定ABC转运蛋白IV型的域，贝叶斯网络模型显示血浆乙醇胺去饱和酶（TMEM189）作为TMEM229B的相邻节点，rs11158671 CD风险变异与全血GTEx数据库中的mRNA丰度呈负相关（图5C-D）。
以TMEM229B作为验证的候选基因，鉴于HEK293细胞中的低表达，过表达标记和未标记的TMEM229B并测量总FA。TMEM229B过表达显著降低了缩醛磷脂衍生的C16和C18与酯化脂质来源的C16和C18比率（图5E），该比率的变化是由缩醛磷脂衍生的C16和C18水平降低引起的，提示TMEM229B表达与缩醛磷脂水平呈负相关。
图5. TMEM229B表达和胆碱缩醛磷脂作为CD风险的潜在介质
小结
本研究对大量UC、CD和HC的血清和粪便样本进行了非靶向和8种SCFAs代谢组学分析，在病例和对照、IBD亚型中确定了多种代谢物的丰度与疾病活动指数、位置和行为相关的代谢物之间存在显著差异，后将队列中的代谢物丰度与已报道的IBD风险基因座整合，在63个不重叠的基因座（7个新的）中发现了173个基因控制的代谢物（9个新的mQTLs），揭示了（1）基因控制的血清丁酸盐水平与IBD状态或特征无关；（2）推测血清中含有亚油酰的脂质会增加患CD的风险；（3）预测血清中含有AA的脂质将对CD有保护作用；（4）推测血清胆碱缩醛磷脂水平升高会导致CD风险。本研究综合多组学分析揭示IBD疾病活动的新生物标志物和潜在的病理新机制。
参考文献
Integrative Analysis of the Inflammatory Bowel Disease Serum Metabolome Improves Our Understanding of Genetic Etiology and Points to Novel Putative Therapeutic Targets. Gastroenterology. 2022.
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