Integration of genomics or metagenomics and clinical data to predict the anti-obesity effect of dietary intervention using randomized controlled trial of Seapolynol

Abstract

To date a number of randomized controlled trials (RCT) have been conducted to evaluate the effects of dietary exposures. However, considerable inter-individual variation in response to dietary intervention has long been noted. Numerous factors contribute to the variation including genetic background and gut microbial community structure. Thus, application of omics technologies to human dietary intervention study has been suggested for a better understanding of the influence of human diversity in response to dietary intervention. These approaches will help optimize strategies to identify potential responders to dietary intervention. In this respect, the present study was conducted to identify single nucleotide polymorphisms (SNPs) and gut microbiota that predict the anti-obesity effect of dietary intervention through the application of genomics and metagenomics technologies to RCT of Seapolynol. In a randomized, double-blind, placebo-controlled, parallel-group study, subjects with a BMI over 25 kg/m2 and under 30 kg/m2 were randomized to receive either Seapolynol or placebo for twelve weeks. At the baseline and the end of the trial, blood, urine and fecal samples were taken. First, the anti-obesity effect of Seapolynol was evaluated in obese subjects. Seapolynol supplementation resulted in a marked improvement in total adipose tissue area, percent body fat, fat/lean mass ratio, showing better effect in abdominally obese subjects. Seapolynol significantly reduced oxidative stress as indicated by decreased lipid peroxidation product (Ox-LDL) and increased endogenous antioxidant enzyme activities (SOD, GPx and CAT). Seapolynol supplementation significantly increased the mRNA expression of lipid oxidation-related genes, including PPAR-α, PPAR-δ and CPT-1a, and decreased the expression of PPAR-γ, a lipid synthesis-related gene. Inflammatory stress-related mRNA expressions (TNF-α, TLR-4, TGF-α and MMP-9) were also significantly improved affected by Seapolynol. Second, a genome wide association study was performed to identify SNPs that predict the anti-obesity effect of dietary intervention using RCT of Seapolynol. Among 83K SNPs in K-chip, ZNF138 rs62456765, PRIMA1 rs34071769, PTPRD rs62531062, LINC01085 rs34071769 and KLHL33 rs7145318 were highly associated with favorable changes in percent body fat, skeletal muscle index, SAT area, erythrocyte SOD activity, CPT-1a and TGF-α mRNA expression in PBMCs, respectively, after Seapolynol supplementation. Third, an integrative analysis of gut microbiome and clinical data was performed to identify gut microbiota at baseline that predict the anti-obesity effect of dietary intervention using RCT of Seapolynol. The relative abundance of Actinobacteria_c (class), Bifidobacterials (order), Bifidobacteriaceae (family), Bifidobacterium (genus) and Bifidobacterium_Bifidum (species), analyzed using 16S rRNA-based pyrosequencing in fecal samples, were all significantly increased after Seapolynol supplementation. Basal of those gut microbiota were positively correlated with the changes in percent body fat, fat mass and fat mass index. Following multiple logistic regression model by assessing the relationship between baseline gut microbiota and changes in obesity-related parameters after Seapolynol supplementation and validation with LOOCV technique, Actinobacteria_c (class), Bifidobacterials (order), Bifidobacteriaceae (family) and Bifidobacterium (genus) and showed fair predictive accuracy for the alteration of percent body fat. In conclusion, this present study provide not only the beneficial effects of Seapolynol on obesity, but also five SNPs and four gut microbiota at baseline that predict individual’s response to dietary intervention. These findings will provide novel information to the development of effective strategies for dietary interventions and supportive evidence for the notion of “precision dietary intervention”.;현재까지 식품 효능의 확인을 위한 인체중재연구가 많이 진행되고 있다. 하지만, 식품 중재에 대한 효과는 개인마다 상당한 차이가 있다. 이러한 개인간의 차이는 개인의 유전적배경 혹은 장내 미생물 군집 구조와 같은 여러가지 요소에 의해 영향을 받는다. 따라서, 인체중재연구에 오믹스 기술을 적용시키는 것은 식품 중재에 대한 개인간 차이를 확인하는 데에 도움이 될 것이며, 더 나아가 식품 중재에 대한 반응군을 찾아내는 데에도 도움이 될 것이다. 이에 본 연구는 씨폴리놀 인체중재연구에 유전체와 메타유전체 기술을 적용하여, 식품 중재에 대한 항비만 효과를 예측할 수 있는 단일염기다형성과 장내 미생물 군집을 찾는 것을 목표로 진행하였다. 연구디자인은 12주간의 무작위배정, 이중맹검, 대조식품 비교, 평행연구로서 체질량지수가 25 이상 30 미만인 비만한 자원자를 무작위배정을 통하여 씨폴리놀군 또는 대조식품군으로 나누었다. 기저시점과 섭취종료시점에 혈액, 소변과 대변 샘플을 채취하였다. 첫번째로 씨폴리놀 섭취에 따른 비만 관련 임상적 지표의 변화를 관찰하였다. 씨폴리놀 섭취군에서 총 복부지방면적, 체지방량, 지방/근육량 비율이 복부비만인 대상자에게서 유의적으로 개선되었다. 또한 지질과산화물 (Ox-LDL)을 감소시키고, 항산화 효소 활성 (SOD, GPx 그리고 CAT)을 증가시켰다. 씨폴리놀 섭취는 지질 산화 관련 유전자 (PPAR-α, PPAR-δ 그리고 CPT-1a)의 발현을 유의적으로 증가시켰으며, 지질 합성 (PPAR-γ) 및 염증 관련 유전자 (TNF-α, TLR-4, TGF-α 그리고 MMP-9) 의 발현을 유의적으로 감소시켰다. 두번째로, 씨폴리놀 중재연구를 활용하여 식품중재에 대한 항비만 효과를 예측할 수 있는 단일염기다형성을 찾기 위하여 전장유전체 연관분석을 실시하였다. 한국인칩의 약 83만개 단일염기다형성 중, ZNF138 rs62456765, PRIMA1 rs34071769, PTPRD rs62531062, LINC01085 rs34071769 and KLHL33 rs7145318이 씨폴리놀 섭취 후 체지방률, 골격근육지수, 피하지방면적, 적혈구의 SOD 활성, CPT-1a와 TGF-α 유전자 발현 변화와 가장 연관성이 높게 나타났다. 세번째로, 씨폴리놀 중재연구를 활용하여 식품중재에 대한 항비만 효과를 예측할 수 있는 예후인자로써 장내미생물의 가능성을 확인하였다. 씨폴리놀 섭취는 Actinobaceria 문에 속한 Actinobacteria_c (강), Bifidobacterials (목), Bifidobacteriaceae (과), Bifidobacterium (속) 그리고 Bifidobacterium_bifidum (종)을 모두 유의적으로 증가시켰다. 변화된 장내미생물의 기저 구성은 체지방률, 체지방량과 체지방지수의 변화와 양의 상관관계를 나타냈다. 결론적으로, 기저시점의 Actinobacteria_c (강), Bifidobacterials (목), Bifidobacteriaceae (과)와 Bifidobacterium (속)의 구성이 체지방률 변화를 예측하는 지표로서 사용 가능함을 보여주고 있다. 결론적으로, 이 연구는 비만인에서 씨폴리놀의 항비만 효과를 확인하였을 뿐만 아니라 식품중재에 항비만 효과 정도를 예측할 수 있는 5개의 단일염기다형성과 4개의 장내 미생물 군집 지표를 선별하였다. 본 연구에서 도출된 내용은 추후 식품 중재 연구에 효과적인 전략을 제공할 수 있으며 개인 맞춤형 중재에 도움을 줄 수 있을 것이다.