本文由褚福浩編譯，董小橙、江舜堯編輯。
最近的研究進(jìn)展提供給我們更多關(guān)于DNA序列和代謝物的數(shù)據(jù)，讓我們能夠更好的理解整體系統(tǒng)水平的腸道微生物群和代謝物之間的聯(lián)系，更好地研究特定微生物對特定代謝物的影響。本文我們回顧微生物群如何決定特定代謝物的水平，嬰兒代謝物譜如何發(fā)展，以及根據(jù)其微生物和/或代謝物評估一個人的生理狀態(tài)的前景。
論文ID
原名：The Intestinal Metabolome: An Intersection Between Microbiota and Host
譯名：腸道代謝組：微生物與宿主之間的相互作用
期刊：Gastroenterolog
IF：20.773
發(fā)表時間：2014年
通信作者：Rob Knight
通信作者單位：Department of Chemistry and Biochemistry and Bio Frontiers Institute, University of Colorado at Boulder, Boulder, Colorado; Howard Hughes Medical Institute, Boulder, Colorado
綜述內(nèi)容
隨著測序技術(shù)的快速發(fā)展，全世界的研究人員能夠更好地評估腸道微生物組如何影響人類健康[1]。人類一出生就與微生物群存在共生關(guān)系。環(huán)境，與其他人類和動物的接近程度，飲食，遺傳和時間改變等因素都能影響我們的皮膚，口腔和腸道中微生物組成。與其他之前未知的器官相比，微生物群具有廣泛的代謝功能，并攜帶比人類基因組多達(dá)1000倍的基因。因此，微生物為宿主提供了一系列難以達(dá)到的代謝功能[11]。
腸道微生物群越來越被認(rèn)為是藥物的重要靶點，特定的微生物可以使特定的外源性物質(zhì)失活或活化，從而改變不同治療藥物的作用[12]。代謝組學(xué)和代謝物分析已被廣泛用于鑒定臨床疾病生物標(biāo)志物。例如，血液中甘油三酯，葡萄糖和膽固醇水平的定量分析可用于確定心臟病的風(fēng)險。最初的微生物組研究試圖確定與疾病，生理狀態(tài)，藥物使用或飲食攝入相關(guān)的細(xì)菌分類群。然而，并非所有干預(yù)都會改變微生物群落的組成及其基因含量和基因表達(dá)[13,14]。
代謝組學(xué)分析還有助于我們了解稀有細(xì)菌類群和基因變異的細(xì)菌類群對代謝功能的影響，如果稀有細(xì)菌類群具有重要的代謝功能，則可能作為關(guān)鍵物種對整個群落代謝組產(chǎn)生很大影響。腸道菌群核心功能的表達(dá)可隨著可利用的底物（例如外源性物質(zhì)）的改變而改變，即使微生物物種組成和豐度保持不變。
不同的微生物群落以不同的方式代謝外源性物質(zhì)和膳食成分，對宿主的許多組織產(chǎn)生可變的影響（圖1）[18]。宿主通過飲食或攝取外源性物質(zhì)，對腸道微生物群的組成、基因表達(dá)和物質(zhì)代謝產(chǎn)生影響。腸道微生物群將飲食和外源性物質(zhì)代謝為代謝物，這些代謝物可以進(jìn)入宿主的血液并在外周影響宿主，如藥物可以菌群代謝失活，降低其功效，或者藥物被轉(zhuǎn)化為具有非目標(biāo)和潛在毒性的衍生物。這些代謝物的變化能改變腸道的代謝組學(xué)特征，從而對宿主產(chǎn)生可變的影響。同時，新的宿主表型可以反過來對微生物群落產(chǎn)生反饋效應(yīng)。
圖1 宿主、微生物群和代謝物之間的相互作用
1、代謝狀態(tài)評估中的代謝組學(xué)研究
代謝組學(xué)研究通過高通量分析方法分析復(fù)雜系統(tǒng)，包括腸道中小分子代謝物的組成成分。質(zhì)譜和核磁共振可以對樣品（如糞便，尿液和組織）中的微生物和宿主細(xì)胞產(chǎn)生的代謝物進(jìn)行穩(wěn)定而靈敏的鑒定。這些工具可通過同時定性和定量地分析數(shù)千種代謝物來確定治療或擾動對宿主代謝特征的影響。借助開源代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫，如HMDB，METLIN，LIPIDS MAPS，MassBank和NIST可以更快地識別和注釋已知和未知的代謝物。通過使用多變量統(tǒng)計數(shù)據(jù)比較干預(yù)前后代謝組學(xué)譜，可以識別受實驗變量顯著影響的代謝物。
2、微生物組對代謝組的影響
代謝組學(xué)分析可以直接比較腸道微生物群的代謝與宿主中的代謝結(jié)果。Wikoff等通過非靶向質(zhì)譜法獲得無菌和常規(guī)培養(yǎng)的小鼠血漿代謝組學(xué)譜，通過對比研究腸道微生物群對宿主代謝的影響。研究發(fā)現(xiàn)，血漿中檢測到的所有代謝物中超過10％的代謝物的濃度在有和沒有腸道微生物的小鼠之間存在至少50%的差異。而且，許多代謝物僅在常規(guī)培養(yǎng)的小鼠（不是無菌小鼠）的血清中檢測到。例如，與無菌小鼠相比，常規(guī)小鼠的血清中色氨酸的血清水平降低了40％，可能是因為存在能產(chǎn)生色氨酸酶的細(xì)菌[29]。
另一項研究評估了益生菌，益生元及其組合（稱為“合生元”）在無菌小鼠中的全身效應(yīng)，這些小鼠定植有能代表人類嬰兒體內(nèi)微生物的菌群組合，包括狄氏擬桿菌(Bacteroides distasonis)，產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridium perfringens)，大腸桿菌(Escherichia coli)，短雙歧桿菌(Bifidobacterium breve)，長雙歧桿菌(Bifidobacterium longum)，金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)。益生菌鼠李糖乳桿菌NCC4007和益生元半乳糖寡糖的膳食補充劑能顯著改變上述7種細(xì)菌的相對比例，并引起小鼠不同組織的代謝特征的系統(tǒng)性變化。例如，益生元增加短雙歧桿菌(B breve)、長雙歧桿菌(B longum)和狄氏擬桿菌（B distasonis）的比例，降低大腸桿菌(E coli)和產(chǎn)氣莢膜梭菌(C perfringens)的比例；通過降低血漿葡萄糖水平和肝臟甘油三酯水平改變脂質(zhì)代謝。益生菌還具有降低血漿中脂蛋白水平，肝臟中谷氨酰胺水平和糖原水平等全身性作用?？傮w而言，益生元能顯著改變血漿，尿液，糞便，肝臟，胰腺，腎皮質(zhì)，腎髓質(zhì)和腎上腺中的代謝組，益生菌在除胰腺外的所有上述部位中產(chǎn)生差異[30]。另有研究發(fā)現(xiàn)，益生菌和益生元對成人糞便樣本中微生物的比例沒有顯著影響；但RNA測序數(shù)據(jù)顯示，控制碳水化合物代謝的微生物基因的表達(dá)發(fā)生了改變[14]。這可能是與成人多樣化和復(fù)雜的微生物群相比，在嬰兒體內(nèi)相對簡單的微生物群更容易受到益生菌和益生元的影響。因此，益生元和益生菌在生命早期可能具有最好的效果。然而，這個假設(shè)需要在動物模型中進(jìn)行測試。
在上胃腸道消化系統(tǒng)未被消化的飲食成分為腸道微生物群提供了大部分的底物。腸道微生物群對碳水化合物的發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，例如丁酸鹽，丙酸鹽和乙酸鹽等。研究表明，患有潰瘍性結(jié)腸炎等炎癥性腸病的患者腸內(nèi)產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌比例較少，如羅斯拜瑞氏菌(Roseburia hominis)和普拉氏梭桿菌(Faecalibacterium prausnitzii)較少，導(dǎo)致丁酸鹽含量較低[31,32]。除丁酸鹽外，丙酸鹽還可以增加外周免疫系統(tǒng)中的T調(diào)節(jié)細(xì)胞數(shù)量。因此，產(chǎn)生丁酸鹽和丙酸鹽的微生物的調(diào)節(jié)可用于治療炎性腸病，例如潰瘍性結(jié)腸炎。然而，丁酸鹽和其他短鏈脂肪酸的抗炎機制仍然不明確。
3、預(yù)測性微生物宏基因組
宏基因組信息可以確定與微生物失調(diào)相關(guān)的不同疾病狀態(tài)是如何影響代謝功能。研究表明，與體瘦受試者相比，肥胖受試者的微生物多樣性降低體瘦受試者微生物群中含有較高比例的與抗炎活性相關(guān)的微生物，如普拉氏梭桿菌(Faecalibacterium prausnitzii)。肥胖受試者的微生物群含有較高比例的可能與促炎作用相關(guān)的擬桿菌屬細(xì)菌(Bacteroides species) 和活潑瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus) [33,34]?；蚬δ芊治鲅芯勘砻?，多樣性較低的微生物群可能產(chǎn)生較低水平的丁酸鹽，硫化氫的生成增加，并抗氧化應(yīng)激能力降低。微生物是否對宿主起到保護(hù)作用，或者低多樣性是否是特定疾病的副作用（而不是原因），這是腸道微生物及其代謝產(chǎn)物研究中尚未被闡明清楚的問題之一，需要通過更加前瞻性研究予以解釋。
通過重建未觀察狀態(tài)進(jìn)行群落系統(tǒng)發(fā)育研究（PICRUSt），開發(fā)系統(tǒng)發(fā)育和功能之間的強關(guān)聯(lián)性，這種軟件系統(tǒng)可以使用16S擴(kuò)增子序列估計微生物群落的代謝組學(xué)功能譜。簡而言之，PICRUSt采用系統(tǒng)發(fā)育樹，通過已知節(jié)點子集的基因譜，并利用祖先狀態(tài)重建來估計其他未表征節(jié)點的功能基因內(nèi)容。與與從人類微生物組項目獲得的完全測序的宏基因組相比，PICRUSt能夠?qū)碜?/span>16S標(biāo)記基因推斷的宏基因組進(jìn)行強有力的預(yù)測（平均spearman秩相關(guān)系數(shù)r= 0.82）。另一個強大的計算工具是預(yù)測相對代謝轉(zhuǎn)換(Predicted Relative Metabolic Turnover)，它使用基因計數(shù)來預(yù)測系統(tǒng)中代謝物的相對消耗和產(chǎn)量，用于建模和假設(shè)生成[37]。諸如PICRUSt和預(yù)測相對代謝轉(zhuǎn)換之類的工具能更有效地確定是否應(yīng)該使用額外的資源來進(jìn)行更全面的代謝分析和宏基因組測序。但是，必須使用匹配的數(shù)據(jù)集驗證結(jié)果，以評估其性能的限制。
4、嬰兒的代謝組學(xué)概況
嬰兒期微生物組和免疫系統(tǒng)的變化可能會產(chǎn)生持久的影響，如導(dǎo)致過敏的發(fā)生。微生物群的不同變化一般發(fā)生在出生的前兩年，并與環(huán)境和飲食的變化相關(guān)，可通過研究嬰兒糞便代謝組的變化進(jìn)行追蹤。對嬰兒患有乳糜瀉風(fēng)險的的研究表明，6個月以下嬰兒的代謝組以糖為主，包括乳糖和葡萄糖。然而，6個月后，它們的代謝組發(fā)生變化，增加了氨基酸和短鏈脂肪酸的濃度。主成分分析（PCA）顯示2歲兒童的代謝組與成人相似，因為醋酸鹽和丁酸鹽的含量增加[40]。16S擴(kuò)增子研究結(jié)果也證實嬰兒微生物群在2歲時與同社區(qū)的成人腸道菌群類似[41]。顯然，嬰兒的腸道微生物群更適合代謝母乳。特定雙歧桿菌具有調(diào)節(jié)人乳衍生的低聚糖的基因富集的基因組，這一優(yōu)勢使它們成為人類腸道的第一優(yōu)勢細(xì)菌[42]。
5、外源性物質(zhì)生物代謝
除了源自飲食的常量營養(yǎng)素之外，存在于胃腸道中的微生物可能暴露于多種外源性物質(zhì)（如抗生素，藥物和飲食衍生的生物活性化合物）。由于腸道微生物組編碼了許多具有不同活性的酶，因此許多外源性物質(zhì)會被腸道微生物群代謝。雖然，我們認(rèn)識到微生物對外源性物質(zhì)的代謝作用至少已有40年[43-45]，但我們才剛開始揭示這一過程的機制。外源性物質(zhì)也可以調(diào)節(jié)腸道微生物組的表達(dá)和活性，進(jìn)而增加這一相互作用的復(fù)雜性。微生物來源的代謝物可能干擾外源性物質(zhì)的宿主代謝，而飲食衍生的營養(yǎng)素可以調(diào)節(jié)外源性物質(zhì)的微生物代謝。
Clayton等于2009年最早提供腸道微生物群與外源性物質(zhì)代謝相互作用的詳細(xì)證據(jù)[46]。他們利用代謝組學(xué)分析系統(tǒng)將微生物代謝物對甲酚的存在和對乙酰氨基酚的磺化與葡萄糖醛酸化的比例的減少相關(guān)聯(lián)。對甲酚產(chǎn)量的增加降低了肝臟正常代謝該藥物的能力，可能是因為對甲酚與磺基轉(zhuǎn)移酶競爭。后續(xù)研究表明，微生物來源的代謝物可以調(diào)節(jié)一系列宿主酶的表達(dá)和活性，包括主要的外源性物質(zhì)代謝細(xì)胞色素酶。這些研究為基于微生物和宿主代謝選擇性治療的宏基因組方法奠定基礎(chǔ)。
除了與代謝物產(chǎn)生的相互作用之外，腸道微生物群還可以通過催化影響外源性物質(zhì)的多種反應(yīng)在外源性物質(zhì)代謝中具有更直接的作用。最近的綜述總結(jié)了微生物代謝外源性物質(zhì)的許多過程[12,48,49]，但只有少數(shù)幾個已經(jīng)確定了具體機制。如地高辛可以被放線菌門(Actinobacteria)中遲緩埃格特菌(Eggerthella lenta)滅活[50]。最近研究發(fā)現(xiàn)能被地高辛和其他心臟糖苷上調(diào)的一種編碼細(xì)胞色素的操縱子在能滅活地高辛的菌株中獨特存在。通過與遲緩埃格特菌(E lenta)單獨結(jié)合的小鼠增加膳食蛋白質(zhì)攝入來阻斷地高辛的失活[51]，可能是由于精氨酸的抑制作用[52,53]。Wallace等[53]研究微生物群如何影響結(jié)直腸癌藥物伊立替康的作用。已知微生物產(chǎn)生的酶在腸道中解偶聯(lián)伊立替康代謝物，引起炎癥，腹瀉和厭食。研究表明，與β葡萄糖醛酸酶抑制劑共同給藥可以大大降低伊立替康的副作用。此外，微生物群的存在增加了化療藥物的功效，這表明微生物群在介導(dǎo)對這些藥物的反應(yīng)中具有重要的作用[54,55]。
6、發(fā)現(xiàn)相關(guān)性的計算挑戰(zhàn)
識別代謝物列聯(lián)表中的統(tǒng)計學(xué)上有意義的模式（記錄每個樣品中每種代謝物計數(shù)的豐度的表格）在理論上是直接的，但通常在實踐中使用數(shù)學(xué)上毫無根據(jù)的技術(shù)進(jìn)行。例如，方差分析和t檢驗常用于確定樣本組之間代謝物豐度的顯著性差異，而不確定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是否滿足分布要求。正態(tài)性，方差相等和均勻的群體特征是正確計算統(tǒng)計顯著性（P值或錯誤發(fā)現(xiàn)率）所必需的。盡管可以用非參數(shù)檢驗來代替數(shù)據(jù)的非正態(tài)性，但這些方法仍然無法解決2個基本的計算挑戰(zhàn)：從大量統(tǒng)計學(xué)上顯著的結(jié)果中提取生物學(xué)上顯著的結(jié)果，以及多變量生物學(xué)數(shù)據(jù)通常歸一化為總和的事實，這種單一約束條件違反了大多數(shù)測試統(tǒng)計假定的歐幾里德空間模型（見下文）。減少生物學(xué)上不相關(guān)但具有統(tǒng)計學(xué)意義的結(jié)果的最廣泛應(yīng)用的方法是在根據(jù)為特征指定預(yù)期生物相關(guān)性的度量進(jìn)行測試之前從列聯(lián)表中刪除特征（分類群，KEGG orthology 數(shù)據(jù)庫，酶學(xué)編號等）。該“度量”通常與整體表豐度一樣簡單（例如，如果i在所有觀察值的<1％中，則移除特征i）或整體樣本表示（例如，如果i在<20％的樣本中則移除特征i）。這種篩選方法由直覺驅(qū)動的，即更廣泛共享的特征在生物學(xué)上更重要，并且具有降低多個假設(shè)檢驗校正因子的嚴(yán)重性的額外吸引力。遺憾的是，盡管這種方法很普遍，但尚未對其靈敏度，特異性甚至錯誤發(fā)現(xiàn)控制進(jìn)行系統(tǒng)的基準(zhǔn)測試或評估，特別是在結(jié)合微生物組和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)集的領(lǐng)域。
識別組間特征差異表示的補充方法是通過共現(xiàn)分析尋找特征之間的相互作用（圖2）。傳統(tǒng)的共現(xiàn)檢測方法，包括特征向量之間的Spearman或Pearson相關(guān)，當(dāng)數(shù)據(jù)是“成分”時（即，位于單形而非歐幾里德空間中）是不可靠的[56,57]。因為組成性是多組學(xué)數(shù)據(jù)的一個特征（16S擴(kuò)增子調(diào)查本質(zhì)上是組成因素，因為任何列聯(lián)表中不等抽樣的標(biāo)準(zhǔn)化引入了組合性），因此開發(fā)了SparCC和CoNet等方法來捕獲真實的相關(guān)性。
圖2.探索代謝組學(xué)與微生物組之間的相互作用
代謝組學(xué)和高通量測序都產(chǎn)生了大量信息。這些高度多變量數(shù)據(jù)集之間的相互作用的可視化對于闡明關(guān)系非常重要。在該示例三方網(wǎng)絡(luò)中，大的藍(lán)色方形節(jié)點表示樣本，其連接到紅色菱形（代謝物）和黑色圓圈（操作分類單元[OTU]）。OTU節(jié)點或代謝物節(jié)點離樣品節(jié)點越近，該樣品中該代謝物或該OTU的相對豐度越大。因此，在網(wǎng)絡(luò)中相近的OTU和代謝物傾向于在相同的樣品中發(fā)現(xiàn)（這表明但不能最終證明代謝物可能由該OTU產(chǎn)生）。三方網(wǎng)絡(luò)還顯示樣品共享哪些代謝物和OTU，哪些代謝物和OTU對于給定樣品是獨特的。正如本綜述所討論的，正在開發(fā)一些方法來幫助將生物學(xué)上重要的關(guān)聯(lián)從許多具有統(tǒng)計意義的關(guān)聯(lián)中分離出來。一旦確定，我們就可以看到宿主和微生物組之間的相互作用如何控制生物學(xué)上重要的代謝物。
7、結(jié)論
與我們的人類基因組相比，腸道微生物群的整體多樣性和可塑性為個性化醫(yī)療提供了令人興奮的新前景，特別是用于確定微生物影響藥物和飲食中代謝物產(chǎn)生的機制的研究。盡管還有許多工作要做，特別是在計算方法方面，但已經(jīng)出現(xiàn)的代謝組學(xué)和微生物群落分析的實驗框架應(yīng)該被用于快速宿主表征，然后進(jìn)行臨床潛力的后續(xù)分析。
注：文中參考序號和原文一樣，想看參考文獻(xiàn)的朋友可下載原文進(jìn)行查看。
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