孟德尔随机化（Mendelian Randomization, MR）是目前非常火爆的一种分析方法，想必各位小伙伴们都有所耳闻。MR分析的优点是得到的关联不受因果倒置的影响，也不受混杂因素的影响。（不仅如此，它对于会敲代码的人来说，还是相当容易做的，想学习的小伙伴快关注小云学习吧！）那么今天，小云发现了一篇来自西安交通大学杨铁林教授团队的10分1区Top文章。这项研究报告了第一个研究肠道微生物群和智力之间潜在因果关系的MR分析。他们仅用孟德尔随机化两步分析肠道菌群、脑容量和智力之间的因果关系，究竟是什么方法，什么思路？！别急，小云带你揭秘这篇0实验好文！
首先，该团队发现了越来越多的证据表明，肠道微生物群的动态变化会影响智力。但是，这些关系是否有因果关系仍然难以捉摸。该团队使用来自最大的肠道微生物群(n = 18,340)和智力(n = 269,867)全基因组关联研究的遗传变异进行了双样本孟德尔随机化(MR)分析。然后，采用反方差加权方法进行MR分析，并辅以一系列敏感性分析来验证结果的稳健性。考虑到最后，脑容量与智力之间的密切关系，该研究团队采用两步MR来评估是否通过调节脑容量来介导已识别的效应(n = 47,316)。最终的结果表明，草藻杆菌属对智力存在风险效应(优势比(OR)，每标准差增加智力变化0.968/95%置信区间为0.952 ~ 0.985;P = 1.88×10-4)和Fusicatenibacter菌属（短链脂肪酸产生菌）对智力的保护作用(OR, 1.053;95%置信区间为1.024 ~ 1.082;P = 3.03×10-4)。两步磁共振分析进一步表明Fusicatenibacter菌属对智力的影响部分是通过调节脑容量介导的，其介导比例为33.6%(95%置信区间为6.8% ~ 60.4%;P = 0.014)。小云认为这篇文章的巧思在于它的选题新颖特别，用两个“看似无关”的变量来发掘其中的联系。不仅如此，研究仅采用两步纯孟德尔随机化，选取“脑容量”为中介，就深度挖掘了肠道微生物群和智力之间因果关系，最大化的利用了我们的MR分析。小伙伴们不妨借鉴它的思路和想法，换种疾病再复现，轻松拿捏高分生信文章！偷偷告诉小伙伴们，关注小云带你了解生信热点，让你才思泉涌！快来关注吧！
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发表时间：2024年2月
研究背景
肠道微生物群是正常生理的重要组成部分，在大脑发育和功能中发挥着重要作用。建立因果关系并优先考虑负责个体智力差异的目标是其中之一心理和脑科学的关键挑战。肠道微生物组是一个高度复杂和多样化的隐藏王国，在肠脑交流中发挥着重要作用。肠道微生物组的改变会影响神经发育和认知能力。生命早期抗生素暴露与随后较差的神经认知结果相关。据报道，益生菌摄入可以改善老年人的持续注意力和工作记忆，而早期的研究报告了益生菌摄入可能会导致认知障碍。对于特定的分类群，多组学整合分析显示，气味杆菌、丁酸单胞菌、此外，气味杆菌的丰度与大脑结构和体积的几个重要特征有关。最近多基因组关联分析发现，具有产生短链脂肪酸(SCFAs)能力的细菌，尽管越来越多的证据表明肠道微生物群组成与认知能力有关，但因果关系仍然很少。最终的结果表明，该团队发现了肠道微生物组特征对智力的强有力的遗传证据，Fusicatenibacter菌属对智力的保护作用部分是通过调节脑容量来介导的，并强调肠道微生物群是治疗和预防认知障碍的潜在目标。
数据来源
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数据集/队列 |
数据库 |
数据类型 |
详细信息 |
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肠道微生物组成数据 |
MiBioGen |
基因合集 |
18340个个体的16S rRNA基因测序和遗传谱 |
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智力的遗传数据 |
GWAS |
– |
269,867名欧洲血统的个体 |
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蛋白质定量性状的基因数据 |
GWAS |
– |
35,559 名冰岛人正常转化水平每种测试蛋白组织特异性表达eQTL数据 |
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脑容量相关的遗传的基因数据 |
GWAS |
– |
17062名参与者，包括11,373名参与者，头围包括18,881名参与者，总样本量为47,316名 |
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神经成像表型的汇总统计数据 |
Nat Genet. 55:1483-1493 |
文献 |
36,843个人的180个区域进行测量，产生2,347种神经影像学表型 |
研究思路
遗传工具选择
所使用的遗传工具必须满足三个假设：(1)遗传变异应与暴露密切相关，(2)遗传变异不应与任何潜在的混杂因素相关，(3)遗传变异不应独立于暴露而影响结果。该团队首先对肠道微生物组组成使用了一个宽松的P值阈值1×10-5，因为发现低于该阈值的SNP解释最多。其次，通过对覆盖关联信号的每个基因组窗口应用FINEMAP进行统计精细定位，评估这些变异是否能够捕获该区域内的遗传关联。最后，他们通过将β值与相同的等位基因对齐来协调SNP对暴露和结果的影响。
消除混杂因素
为了避免潜在的混淆，该团队在欧洲参与者的PhenoScanner数据库中删除了与似是而非的混杂因素显著相关的SNP。四个潜在的混杂因素被考虑在内，包括饮食、社会经济地位、饮酒和吸烟行为。据报道，这些特征会影响肠道微生物组成和智力或认知能力。
遗传仪器的质量控制
他们利用排除了具有中间等位基因频率(>0.42)的SNP，这可能会导致潜在的链翻转问题。为了提高剩余遗传工具的准确性和稳健性，删除了RadialMR检测到的异常多效性SNPs。RadialMR利用异质性检验(修正Q统计量)识别异常多效性SNPs，标称显著性水平为0.05。计算F统计量来估计遗传仪器的强度，只有统计量为F统计量>10的SNP被纳入MR分析。剔除混杂因素和质量控制后，所有211个分类群至少有3个SNP，并进行MR分析。
双样本孟德尔随机化
两个样本孟德尔随机化：进行双向因果关系来测试肠道微生物组组成是否会因果影响智力以及智力是否会因果影响肠道微生物组组成。利用基于乘法随机效应模型的逆方差加权（IVW）方法作为主要因果推断。
敏感性分析
该团队进行了一系列敏感性分析，以解决因果估计中潜在的多效性问题：①使用MR-Egger回归来评估基于其截距项的水平多效性的存在；②利用MRPRESSO检测多效性的存在(P < 0.05)。MR-PRESSO将所有变异的观测距离与无水平多效性的零假设下的期望距离进行比较；③使用Cochran ‘s Q统计量评估异质性，这是固定效应方差加权分析中不同遗传变异产生的P值小于0.05提示存在多效性。
中介分析
通过两步MR分析来评估所鉴定的类群对智力的影响是否通过调节脑容量来介导：
①估计了特定肠道微生物组组成对脑容量的因果影响；
②评估了脑容量对智力的因果关系。采用系数乘积法评估已鉴定肠道微生物群组成通过脑容量对智力的间接影响；
③用间接效应除以总效应。采用delta法得到了间接效应的标准误差来确定已鉴定类群通过调节脑容量对智力的贡献所占的比例。
图1GWAS表示全基因组关联研究
主要结果
肠道菌群组成对智力的因果影响
IVW分析显示，29个分类群与智力的因果关系在名义上显著水平(P < 0.05)(表1)。更重要的是，两个特定分类群，即Oxalobacter菌属和Fusicatenibacter菌属的遗传倾向在FDR校正后达到了统计学意义。草藻杆菌属丰度与智力呈负相关(表2)。MR RAPS的估计值在大小上相似。该团队还发现了Fusicatenibacter菌属的丰度与智力呈正相关的因果证据(表2)。MR RAPS和加权中位数进一步支持了结果。与其他方法相比，加权模式和MR Egger方法的CIs更宽，这可能是由于与IVW相比，它们的统计能力更低。SNP对这两个分类群的影响与智力的散点图如图2所示，彩色线表示不同MR分析的斜率。
表1 肠道菌群与智力之间的MR结果显著(P < 0.05)
表2肠道微生物群与智力之间关系的显著MR结果
图2肠道微生物群与智力之间关系的显著MR结果
智力对肠道菌群组成的因果影响
将智力的遗传倾向作为暴露，该团队进行了MR分析，以探索智力对肠道微生物群丰度的因果关系。列出了包括和排除智力的SNP，以重复发现。但结果没有发现草酸杆菌与智力之间存在因果关系的证据。经过多次测试修正后没有因果证据，（表3，4）但我们发现智力的遗传倾向对15种肠道微生物群的丰度有名义上显著的因果关系(P < 0.05)
表3双向MR结果显示智力与肠道菌群之间的关系
表4智商与肠道菌群关系的MR结果显著(P < 0.05)
中介分析
进行了两步MR分析，以研究所鉴定的类群对智力的影响是否通过调节脑容量来介导。我们首先使用特定于草酸杆菌和Fusicatenibacter菌属的遗传仪器估计了鉴定的分类群对脑容量的因果效应。使用与脑容量相关的遗传工具评估了脑容量对智力的因果影响，发现了脑容量对智力影响的极其因果的证据（图4）。由于脑容量和智力都包括来自UKB的受试者，并且暴露量和结果GWASs之间的样本重叠可能会使估计偏向于混淆估计。他们使用Burgess及其同事描述的方法估计了由于参与者重叠造成的偏差。结果表明，发现最大6.3%的脑容量参与者与智力GWAS重叠(17,062/269,867)，在MR研究中估计偏差<0.82%。这表明我们的MR结果不太可能受到脑容量和智力之间样本重叠的影响。最后，我们发现Fusicatenibacter菌属通过调节脑容量间接影响智力（表5）
进一步进行了两步MR分析，以评估Fusicatenibacter菌属是否可以通过影响智力间接调节脑容量。Fusicatenibacter菌属可以影响智力进而调节脑容量。容量和智力在一个良性循环中相互加强，Fusicatenibacter菌属在两个方向上都发挥了积极的因果作用。
图4肠道微生物组组成与智力关系的孟德尔随机化图
表5双向MR结果显示脑容量和智力之间的关系
文章小结
在这项研究中，研究人员通过利用从最大的GWAS肠道微生物群和智力分析中获得的汇总统计数据，同时进行了双向双样本MR分析，以解开因果关系。结果表明，观察到因果证据表明草酸杆菌的风险效应和Fusicatenibacter菌群对智力的保护作用。再者，进行了中介分析，表明Fusicatenibacter菌属对智力的影响部分是通过调节脑容量介导的。这项研究报告了第一个研究肠道微生物群和智力之间潜在因果关系的MR分析。发现两个分类群，Oxalobacter和Fusicatenibacter的遗传倾向在FDR校正后达到了统计学意义。以上这些发现重塑人们对微生物-肠道-脑轴的理解，并强调肠道微生物群是治疗和预防认知障碍的潜在目标。其实真就这么简单，（两样本孟德尔随机化（Two sample Mendelian randomisation，2SMR），它是使用GWAS概括性数据估计暴露对结果的因果效应的一种方法。本研究使用的两步纯孟德尔随机化方法进行分析，高效且简洁，套路简单。这个思路在小云看来一点也不难。所以，想发好文章选题、构思、思路、方法都缺一不可呢！小伙伴们快快抓住机会热点，联系小云助你一臂之力吧~
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原文始发于微信公众号（云生信学生物信息学）：这个新花样真是全球首次研究！西交杨铁林教授团队，孟德尔随机化探究肠道菌群与智力的关系