铁死亡介导肠道菌群驱动炎症性肠病的遗传学证据与机制探析

《Medical Care》：Ferroptosis as a mediator of gut microbiota-driven inflammatory bowel disease: Evidence from genetic analyses

本综述通过孟德尔随机化（MR）分析首次揭示肠道菌群失调与炎症性肠病（IBD）的因果关联，并证实铁死亡（Ferroptosis）关键基因（如GPX4、STAT3、IDO1等）在该过程中起部分中介作用（中介比例最高达7.6%）。研究为"菌群-铁死亡-IBD"轴提供遗传学证据，为靶向微生物-宿主互作的治疗策略开辟新方向。

　　

引言

肠道菌群通过代谢调控和免疫调节在维持肠道稳态中发挥关键作用。菌群失调（特征为微生物组成改变和生物多样性减少）已被日益认为是炎症性肠病（IBD）发病机制和进展的重要因素，包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC）。大量研究表明，IBD患者表现出有益微生物种群（如厚壁菌门和拟杆菌门）显著减少，同时病原菌（包括变形菌门）过度生长。这种微生物失衡破坏了肠道黏膜屏障的完整性，促进微生物产物易位和随后的免疫激活，从而加剧肠道炎症。

铁死亡是最近发现的一种铁依赖性调节性细胞死亡形式，以脂质过氧化产物的积累为特征，与多种炎症性和退行性疾病有关。在肠道病理学背景下，铁死亡导致上皮细胞死亡和随后的屏障破坏。铁死亡的关键特征，如谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）抑制和酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）表达升高，已在结肠炎动物模型和IBD患者中得到记录，与疾病严重程度和黏膜炎症呈正相关。

然而，肠道菌群失调与铁死亡在IBD发病机制中的具体相互作用仍未得到充分探索。新出现的证据表明，微生物代谢产物，特别是在菌群失调状态下改变的代谢产物，可能增强氧化应激和脂质过氧化，从而促进肠上皮细胞铁死亡。相反，有益的微生物代谢产物如短链脂肪酸（SCFAs）和次级胆汁酸通过增强抗氧化防御而提供保护，可能减轻铁死亡驱动的屏障功能障碍。初步研究表明，操纵微生物组成或直接调节铁死亡途径可能代表缓解肠道炎症和恢复黏膜完整性的新策略。

在此背景下，系统阐明肠道菌群失调与IBD之间的因果关系，以及铁死亡途径所起的中介作用，具有重要的科学和临床意义。尽管现有研究表明肠道菌群可能通过调节铁死亡相关基因影响IBD进展，但所涉及的精确因果关系和具体中介机制在很大程度上仍未探索。孟德尔随机化（MR）是一种利用遗传变异推断因果关系的方法，可以有效控制观察性研究中固有的混杂因素和反向因果关系，使其非常适合评估微生物群与疾病结局之间的因果联系。此外，中介MR分析可以阐明铁死亡相关基因在微生物群-IBD关系中的潜在中介效应。

方法

本研究旨在使用中介MR方法研究肠道菌群失调是否通过铁死亡相关基因影响IBD的发展。研究遵循STROBE-MR指南进行和报告。微生物性状名称遵循发现全基因组关联研究（GWAS）使用的GTDB分类法。

IBD的GWAS汇总统计数据来自FinnGen联盟（发布版R12；代码K11_IBD_STRICT），包括10,960例病例和489,388例对照。473个肠道微生物分类群的遗传数据来自GWAS目录。铁死亡基因集从领域标准资源（FerrDb v2和近期高影响力综述）中整理，优先考虑在上皮背景下经过实验验证的铁死亡驱动因子、抑制因子和标记物。铁死亡相关基因性状的汇总水平遗传关联数据来自冰岛deCODE资源。

对于肠道菌群，我们使用宽松的关联阈值（P< 1 × 10^?6）以适应当前微生物组GWAS相对较小的效能并获得足够数量的工具变量；通过排除F< 10的变异来减轻弱工具变量的影响。为确保独立性，对肠道菌群和IBD工具变量应用连锁不平衡聚类，r²< 0.001，窗口为10,000 kb，而对于铁死亡基因工具变量，我们使用r²< 0.10，相同窗口为10,000 kb，以保留分子性状的信息性顺式信号。排除F统计量 < 10的单核苷酸多态性（SNPs）以避免弱工具变量偏倚。使用PhenoScanner V2筛选潜在的多效性关联以最小化混杂；在MR分析之前应用标准协调步骤（包括处理回文变异）。

主要采用逆方差加权（IVW）方法作为主要MR方法来估计肠道菌群对IBD的因果效应。应用两步MR方法评估铁死亡相关基因的中介作用。首先，估计肠道菌群对铁死亡相关基因表达的影响（β₁）。其次，确定铁死亡相关基因对IBD风险的影响（β₂）。计算间接（中介）效应为β₁× β₂，并计算中介比例以量化铁死亡基因对总因果效应的贡献。

进行了几项敏感性分析以评估MR估计的稳健性。使用MR-Egger回归截距检验评估水平多效性。使用Cochran's Q统计量评估工具变量间的异质性；存在异质性时应用随机效应IVW，否则使用固定效应IVW。实施MR-PRESSO检验以检测和校正水平多效性异常值。进行留一分析以检查单个SNPs对因果估计的影响。

所有统计分析均使用R软件（版本4.3.3）进行。使用的R包包括："MendelianRandomization"（版本0.9.0）、"TwoSampleMR"（版本0.6.0）和"MRPRESSO"（版本1.0）。IVW结果使用错误发现率方法进行多重检验校正。P值 < 0.05的关联被认为具有统计学意义。

结果

肠道菌群对IBD的因果效应

使用IVW MR，我们确定了23个与IBD风险显著相关的肠道微生物分类群。具体而言，15个分类群表现出保护性关联，其中Chromatiales（OR = 0.51，95%置信区间[CI]：0.29–0.88，P= 0.015）、Halomonadaceae（OR = 0.48，95% CI：0.25–0.95，P= 0.035）、Clostridia（OR = 0.58，95% CI：0.34–0.98，P= 0.043）和Lachnospira sp000437735（OR = 0.81，95% CI：0.71–0.92，P= 0.001）的比值比（ORs）显著降低。这些发现表明这些分类群丰度增加可能降低IBD风险。

相反，8个分类群与IBD风险增加相关， notably Acetobacterales（OR = 2.61，95% CI：1.20–5.66，P= 0.015）、Paceibacteria（OR = 2.60，95% CI：1.07–6.32，P= 0.034）、Actinobacteriota（OR = 2.38，95% CI：1.30–4.37，P= 0.005）、Methanobacterium B（OR = 1.74，95% CI：1.21–2.50，P= 0.003）和Bifidobacterium pseudocatenulatum（OR = 1.28，95% CI：1.08–1.52，P= 0.005）。这些分类群可能作为IBD干预的潜在生物标志物或治疗靶点。

双向MR（IBD → 肠道菌群）使用全基因组显著的IBD工具变量（P< 5 × 10^?8；r²< 0.001；10,000 kb窗口）测试了473个微生物性状作为结局。几个分类群显示出名义上的IVW关联（例如，Lachnospira rogosae、Bifidobacterium、Bacteroides clarus），但估计效应很小（中位数β ≈ 0.02；每SD变化的OR ≈ 0.96–1.03；P ≈ 0.02–0.045），并且CI接近零值。MR-Egger截距不显著，异质性适中，MR-PRESSO未指示实质性扭曲；经过多重检验校正后，大多数关联减弱。这些发现表明，从IBD到微生物丰度广泛变化的反向因果关系最多是中等程度。

铁死亡相关基因对IBD的影响

使用IVW MR分析，我们确定了几个与IBD风险显著相关的铁死亡相关基因。观察到STAT3（OR = 0.66，95% CI：0.56–0.78，P< 0.001）、MDM4（OR = 0.77，95% CI：0.67–0.88，P< 0.001）、POR（OR = 0.80，95% CI：0.73–0.87，P< 0.001）、HSPA5（OR = 0.76，95% CI：0.63–0.93，P= 0.007）和SNCA（OR = 0.74，95% CI：0.56–0.96，P= 0.025）的保护性关联，表明这些基因表达降低可能降低IBD风险。其他保护性基因包括IFNA5（OR = 0.81，95% CI：0.68–0.96，P= 0.017）、MUC1（OR = 0.86，95% CI：0.77–0.97，P= 0.016）、LIFR（OR = 0.92，95% CI：0.87–0.97，P= 0.001）、HMOX1（OR = 0.93，95% CI：0.86–0.99，P= 0.025）、ADAM23（OR = 0.97，95% CI：0.94–0.99，P= 0.003）和ASAH2（OR = 0.98，95% CI：0.96–1.00，P= 0.028）。

相反，几个铁死亡相关基因表现出风险增强效应。TIMP1（OR = 1.98，95% CI：1.00–3.91，P= 0.049）、PARK7（OR = 1.47，95% CI：1.14–1.91，P= 0.003）、G6PD（OR = 1.46，95% CI：1.08–1.97，P= 0.013）、IDO1（OR = 1.46，95% CI：1.32–1.61，P< 0.001）、EGFR（OR = 1.14，95% CI：1.02–1.28，P= 0.019）、MAPK3（OR = 1.18，95% CI：1.03–1.36，P= 0.018）、PIR（OR = 1.06，95% CI：1.02–1.11，P= 0.005）、ENPP2（OR = 1.06，95% CI：1.01–1.12，P= 0.028）和AKR1C3（OR = 1.06，95% CI：1.00–1.12，P= 0.036）与IBD风险增加呈正相关，表明未来治疗干预的潜在靶点。

肠道菌群对铁死亡相关基因的影响

使用IVW MR分析，确定了特定肠道菌群与铁死亡相关基因表达之间的显著关联。 notably，Chromobacteriaceae与IDO1（OR = 1.42，95% CI：1.09–1.86，P= 0.009）和MUC1（OR = 1.28，95% CI：1.04–1.58，P= 0.020）表达增加呈正相关，而Campylobacter D（OR = 1.28，95% CI：1.01–1.63，P= 0.043）和Gordonibacter pamelaeae（OR = 1.12，95% CI：1.01–1.23，P= 0.027）也与MUC1表达增加相关。

相反，几个微生物分类群表现出负相关，表明可能下调铁死亡相关基因。B pseudocatenulatum显示与IDO1表达降低的保护性关联（OR = 0.92，95% CI：0.85–1.00，P= 0.039）。此外，CAG-822 sp000432855与MAPK3（OR = 0.89，95% CI：0.80–0.99，P= 0.038）和ADAM23（OR = 0.89，95% CI：0.80–0.99，P= 0.037）表达降低相关。此外，Haloplasmatales（OR = 0.90，95% CI：0.82–1.00，P= 0.047）和Turicibacteraceae（OR = 0.91，95% CI：0.83–1.00，P= 0.046）与ADAM23表达降低相关。这些发现表明特定肠道菌群可能通过调节铁死亡相关基因表达影响IBD风险。

中介MR结果

为研究铁死亡相关基因是否介导肠道菌群对IBD的影响，我们进行了两步MR分析。间接效应计算为β₁（肠道菌群 → 基因）和β₂（基因 → IBD）的乘积，中介比例定义为（β₁× β₂）/β_all。

在测试的途径中，Chromobacteriaceae对IBD的影响部分由MUC1介导，间接效应为-0.037，中介比例为7.6%。此外，CAG-822 sp000432855通过ADAM23表现出弱但可量化的中介作用（间接效应 = 0.004，中介比例 = 1.6%）。其他途径，包括B pseudocatenulatum通过IDO1、Campylobacter D通过MUC1和Chromobacteriaceae通过IDO1的途径，显示总效应和间接效应方向不一致，使得中介比例不可靠或无法解释。对于G pamelaeae、Haloplasmatales和Turicibacteraceae途径也注意到类似的不一致性。这些结果表明，虽然某些铁死亡相关基因可能部分介导肠道菌群对IBD的影响，但观察到的大部分效应似乎通过直接或替代机制运作。

讨论

主要发现

本研究采用全面的MR和中介分析框架探索肠道菌群在IBD中的因果作用，并评估铁死亡相关基因是否介导这些微生物效应。我们的结果为IBD中肠道菌群-铁死亡-黏膜炎症轴提供了遗传学支持。短链脂肪酸（SCFA）产生菌属（例如，Faecalibacterium、Roseburia）显示出保护作用，而病原菌（ notably 变形菌门如Escherichia coli）增加IBD风险。这些模式与显示IBD中丁酸盐产生共生菌耗竭以及活动性疾病中肠杆菌科/埃希氏菌属过度代表性的人类和实验数据一致。铁死亡调节基因，包括GPX4、FTH1和SLC7A11，作为微生物影响的重要中介因子出现，与确定上皮铁死亡为肠道炎症和结肠炎严重程度驱动因素的研究一致。总之，这些发现提名微生物群-铁死亡轴作为风险分层和辅助治疗的可处理靶点，有待前瞻性验证。

肠道菌群与IBD

我们的MR分析支持肠道菌群在IBD发展中的因果作用，与IBD患者菌群失调的大量观察证据一致。我们分析中确定的保护性菌属包括在IBD中经常耗竭的SCFA产生细菌，如Faecalibacterium、Roseburia和Lachnospira。荟萃分析显示IBD中Faecalibacterium prausnitzii减少并与缓解相关，转化研究支持SCFA对上皮完整性和免疫调节的益处。这些共生菌将膳食纤维发酵成丁酸盐和其他SCFAs，有助于维持肠道稳态。丁酸盐尤其能加强肠道上皮屏障并表现出广泛的抗炎作用（例如，促进调节性T细胞和抑制促炎细胞因子）。临床前研究进一步表明丁酸盐可以改善结肠炎，同时激活肠道上皮中的Nrf2/GPX4信号传导，机制上将SCFAs与抗铁死亡防御联系起来。它们的丢失可能损害黏膜完整性和免疫耐受，为慢性炎症创造许可环境。相反，我们的分析发现某些变形菌门分类群的扩张赋予显著增加的IBD风险。例如，E coli（变形菌门中肠杆菌科成员）的过度生长是IBD菌群失调的一个有据可查的特征，尤其是在CD中。致病性或粘附侵袭性E coli可以粘附到肠道黏膜并引发炎症，如在定植这些菌株的克罗恩病患者中所见。更广泛地说，变形菌门（包括E coli、Campylobacter、Klebsiella等）倾向于在炎症肠道中繁殖，并已知产生破坏上皮屏障和激活先天免疫反应的内毒素（如脂多糖）。这种失衡——有益SCFA产生菌减少和病原菌扩张——似乎是跨肠道炎症条件的共享特征。事实上，类似的菌群失调转变已在涉及肠-免疫轴的其他疾病中观察到，如IgA肾病和慢性肾病，这些疾病也显示SCFA产生菌属耗竭和变形菌门及其他机会性分类群富集。在IBD中，这种菌群失调的后果是直接和局部的：黏膜屏障的分解和肠道中不受限制的免疫激活。我们的结果通过增加因果、遗传学维度来支持这一范式——暗示这些微生物变化不仅与IBD相关，而且可能驱动它。

我们分析中揭示的几种特定微生物值得讨论。Faecalibacterium（来自Ruminococcaceae科）是人类肠道中最一致报道的有益细菌之一。我们发现较高的Faecalibacterium丰度对IBD具有强保护作用。该菌属产生丰富的丁酸盐，有助于滋养结肠细胞并加强紧密连接，从而增强肠道屏障功能。此外，丁酸盐已被证明通过多种途径减轻肠道炎症，包括抑制NF-κB信号传导和促进免疫细胞产生IL-10。值得注意的是，最近的实验工作证明外源性丁酸盐可以改善小鼠结肠炎，部分通过激活肠上皮细胞中的Nrf2/GPX4抗氧化途径。这种机制表明Faecalibacterium和其他丁酸盐产生菌可能通过减少铁死亡细胞死亡来保护 against IBD。另一个确定的保护性分类群是Bifidobacterium（放线菌门），一种能够将寡糖发酵成乙酸盐和乳酸盐的益生菌属。Bifidobacterium在IBD和IgA肾病患者中经常减少，其存在与增强黏液层完整性和竞争性排除病原体有关。虽然不是主要的丁酸盐产生菌，Bifidobacterium可以交叉喂养其他共生菌并产生减轻氧化应激的代谢产物。在风险方面，我们的结果强调了肠杆菌科扩张（例如，E coli）和某些γ-变形菌纲菌属作为驱动IBD易感性。这些细菌已知利用炎症、富铁肠道环境，并可能产生伤害宿主的毒力因子。例如，与CD相关的E coli菌株可以分泌毒素和铁载体，损伤上皮并引发中性粒细胞炎症。此外，产生硫化物的细菌（例如，在IBD中经常增加的Desulfovibrio或Bilophila）可能侵蚀黏液层并产生活性硫物种，加重上皮损伤。我们的MR发现强调这些微生物转变不仅仅是炎症的