【隆门分享】Nature|代谢组学研究揭示微生物菌群对各器官的影响
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文章题目
Global chemical effects of the microbiome include new bile-acid conjugations
发表期刊
Nature
（IF=42.778）
发表时间：2020
研究背景
所有后生动物和它们的微生物群系之间都发生化学相互作用。许多已知的由微生物组产生的分子家族对健康和疾病之间的平衡有深刻的影响。考虑到人类微生物组的多样性，其中有超过40000个可操作的分类单元，微生物组对整个动物化学的影响仍有待探索。在本研究中，通过比较无菌（GF）和特定病原体（SPF）小鼠的代谢组数据，使用质谱信息学和数据可视化方法来评估微生物组对整个哺乳动物的影响。作者发现微生物群影响了所有器官的化学成分。
研究结果
1. GF和SPF小鼠代谢组学研究
采用LC-MS/MS质谱和16S rRNA基因测序方法，对4只GF和4只SPF小鼠的29个器官96个部位的768份样品进行了分析。将SPF小鼠每个样本的第一主坐标位置映射到3D小鼠模型上，可以可视化所有器官和器官系统的微生物组和代谢组的相似性（图1 a) 和 b)）。发现胃肠道的不同部位有独特的微生物组和代谢组特征。而在小鼠粪便样本中，两种数据类型的相似性存在明显差异。其中粪样与远端胃肠道（GI）的代谢组不同，而微生物组在结肠和盲肠更接近。
图1
为了表征微生物群的化学影响，对质谱数据进行了分子网络分析。该算法鉴定出7913个质谱，其中在SPF中检出14.7±2.2%，在GF小鼠中检出10.0±0.7%（图1 b)）。总图谱显示GF与SPF的最大差异在胃肠道，分子网络从所有器官的微生物群中识别出独特的化学特征（图1 b)）。盲肠是食品微生物发酵的主要场所，其代谢产物受微生物区系的影响最大。质谱库搜索支持对分子网络8.9%节点的注释发现微生物群的许多变化都是由于食物和胆汁酸的植物天然产物的代谢而引起的（图1 c)）。GF和SPF小鼠代谢物Shannon多样性在上消化道均有反映，在食道较低，胃和十二指肠较高。然而，在过渡到盲肠后，两组小鼠的多样性开始分离（图1 d)）。克隆小鼠的盲肠和结肠中的分子多样性高于GF小鼠，而粪便样本中的分子多样性则不明显（图1 d)）。在十二指肠，胆囊向肠道增加胆汁的位置，微生物群和代谢组多样性形成对比，代谢组多样性较高，微生物多样性较低。
分子网络支持的元质量转移化学分析对于GF和SPF胃肠道而言，这是一种基于母体质量位移的化学转化分析，它不需要知道分子结构，而是基于相关质谱之间的质量位移。微生物组对分子分解的贡献较大，对合成代谢的贡献较小。然而，作者还发现C4H8添加到共轭胆汁酸（GCA）是一个特别有趣的合成代谢反应，它依赖于肠道微生物群，并试图进一步研究这个问题。
图2
2. 新结合胆汁酸的发现
同时检测了GF和SPF小鼠的甘氨酸和牛磺酸结合胆汁酸。甘氨酸和牛磺酸氨基酸仅在SPF小鼠通过胃肠道时被移除，这是已知的微生物转化（图1 b)）。MS/MS质谱分析发现独特的氨基酸酰胺与胆酸的结合，它们是由微生物群介导的，产生了新的胆汁酸-苯丙酸（Phe-chol）、酪氨酸胆酸（Tyr-chol）和亮胆酸（Leu-chol）。这些分子仅在SPF小鼠的十二指肠、空肠和回肠中检测到，经同位素标记的内部标准进行目标质谱分析后，盲肠和结肠中的这些分子含量降低了10倍。肝合成甘氨酸和牛磺酸偶联物存在于同一肠道位置，但在胆囊和肝脏中也可观察到（图2 b)）。其中Phe-chol是胃肠道平均最丰富的微生物结合物。
这些独特的胆汁结合物在下消化道的丰度降低，促使研究者研究回肠是否有再吸收或微生物进一步代谢。然后研究者分别采集SPF（n=4）和GF（n=6）小鼠的门静脉和外周血，筛选出是否存在结合胆汁酸。发现牛胆碱酸（Taurocholic acid，TCA）和GCA均存在于结肠动物和不育小鼠的门脉和外周血中，但未检测到新的氨基酸酰胺结合物。此外，这些分子与一个成长期人粪便分批培养物的培养表明，Tyr-，Phe-和Leu-胆汁酸没有被微生物区系解聚，即使在宿主合成的GCA控制物上很容易进行解聚，而GCA是众所周知的由人微生物介导的胆汁酸酰胺水解酶活性。然而，在这三种新的结合物上都发生了胆酸核的氧化，表明它们可以被微生物酶修饰，即使没有观察到GCA的同时氧化。
在大量的胆汁酸文献中，其中PubMed有超过42000篇文献中对胆汁酸异常结合的描述是罕见的。在过去胆汁酸化学研究中，公认的标准是哺乳动物胆汁酸是由宿主肝酶（Bile acid-CoA：氨基酸N-酰基转移酶，BAAT）与甘氨酸或牛磺酸结合而成。在这里，作者报告了与苯丙氨酸、酪氨酸和亮氨酸在小鼠体内的结合，而且这些化合物在人类中很常见。
3. 使用质谱搜索工具(MASST)从小鼠到人类
MASST对全球自然产品社会分子网络（GNPS）数据库中的1004组公共数据进行了检索，结果显示，在28项研究中，与Phe-chol、Tyr-chol和Leu-chol相对应的质谱匹配，其中包括来自小鼠（占所有样本的3.2%至59.4%）和人类（占所有样本的1.6%至25.3%）的样本。从美国肠道项目收集的粪便样本中提取的数据，这些独特的胆汁酸中至少有一种是在1.6%的人类粪便样本中发现，而Tyr-chol是最普遍的（n=490，图3 a)）。在炎症性肠病（IBD）、囊性纤维化（CF）和婴儿中出现的频率更高（图3 a)）。
从先前发表的一项关于小鼠微生物学和肝癌的研究中重新分析GNPS的储存数据，从而能够比较这些分子在喂食高脂饮食（HFD）和用抗生素治疗的小鼠中的丰度。抗生素暴露时不能检测到Phe、Tyr和Leu氨基酸结合物，而GCA仍然存在，从而支持了微生物体在新的结合中的作用。在同一研究中，phe-chol和leu-chol在喂食HFD的小鼠中含量较高，在宿主结合的GCA中无变化。我们在另一项研究中进一步证实了这一关联，在该研究中，食用HFD的动脉粥样硬化易感小鼠的微生物结合物水平也升高，而宿主产生的TCA却没有相应的变化。众所周知，CF会导致胰脏脂肪酶的产生不足，微生物的失调和肠道脂肪的积累。在一组公共数据库中儿童CF患者和IBM患者中进行数据挖掘，发现这些化合物不仅在健康人中发现，而且在有脂肪内脏和IBD的个体中富集，这意味着肠道失调对人类疾病的潜在作用或症状。
4. 微生物产生新的胆汁酸
作者发现这两者之间存在着很强的正相关。大家都知道梭状芽胞杆菌会氧化胆汁酸，使胆汁酸分解。因此，研究者通过培养20种人类肠道微生物（重点是梭状芽胞杆菌）在粪便培养基中它含有氨基酸和胆酸前体，来筛选新的共轭物。发现C. bolteae菌株wal-14578合成了Phe-chol，cc 43001B合成了Tyr-chol。同时通过同位素内标实验发现，C. bolteae Wal-1457菌株可利用氨基酸和胆酸盐前体合成Phe-chol。同样，我们给小鼠喂食13C-苯丙氨酸标记的HFD，并能在粪便中检测到标记的微生物合成的Phe-chol。体内氨基酸前体可能来自饮食（图3 d)），C. bolteae产生的这些胆汁酸进一步证实了它们与小鼠肠道微生物区系的联系，并认为它们对肠道微生物群中的微生物相互作用具有潜在的重要意义。然而，在批量培养的人粪便样本中加入新的共轭物并不影响群落结构。
5. 新型胆酸和FXR
类法尼醇X受体（FXR）是胆汁酸在肠道、肝脏和其他组织中表达的关键受体。FXR最有效的天然激活剂是去氧胆酸（chenodeoxycholicacid，CDCA），而牛β-胡桃酸（Tauro-β-muricholic acid，T-βMCA）是一种FXR拮抗剂。为了评价本研究中新的胆汁酸对人FXR信号转导的影响，建立了HEK-293胚胎肾细胞荧光素酶报告试验。肝脏强时间依赖性还原Cyp7a1和Cyp8b1转录本表明，与原胆汁酸胆酸类似，这些化合物的灌胃降低了肝组织中负责胆汁酸合成的下游FXR靶基因的表达。然而，不能排除这种效应是由于酰胺共轭水解释放胆酸酯而产生的FXR激动剂所致。
自20世纪60年代以来，微生物群对胆汁酸的代谢就有了描述。已知的四种微生物代谢机制是去羟化、脱水和胆固醇骨架的去脂化，以及氨基酸甘氨酸或牛磺酸的解聚。在此，研究者确定了由完全不同的机制介导的微生物群转化胆酸的第五种机制：酰胺将胆酸骨架与氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸和亮氨酸结合。虽然人类胆汁酸结合基因有同源性巴特在梭状体基因组中，微生物酶仍是未知的。不管它们的合成机制如何，这些新的结合物刺激细胞系统中的人FXR受体，当给小鼠注射时，负责在肝脏中产生胆汁酸的FXR靶基因的表达减少。还需要更多的研究来了解人类微生物群重新结合胆汁酸对健康的影响及其对FXR相关疾病的潜在影响。
结论
这项研究表明，所有器官系统的化学都受到微生物群存在的影响。最强烈的信号来自肠道，特别是通过食物中植物天然产物的分解和胆汁酸的操纵。微生物主要是分解者，通过酶移除化学基团来分解化合物。然而，代表了第五种机制的胆汁酸代谢中微生物通过独特的氨基酸结合胆酸，表明其还有合成作用。随着人类与微生物共生体之间的联系日益受到重视，将全球范围内没有针对性的方法结合起来，以及开发将这些数据集(如GNPS和MASST分析基础设施)连接起来的工具，将能够更有效地描述微生物分子，并在模型动物和人类研究之间进行有效的转换，从而更好地理解我们的微生物群、代谢物和我们的健康之间的深层联系。
参考文献
Robert A Quinn et al., Global chemical effects of the microbiome include new bile-acid conjugations. Nature. 2020 Mar;579(7797):123-129. doi: 10.1038/s41586-020-2047-9.
