综述 | 肠道代谢组:微生物与宿主之间的相互作用(IF:20.773)

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所属分类:代谢组学

本文由褚福浩编译,董小橙、江舜尧编辑。

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导读

最近的研究进展提供给我们更多关于DNA序列和代谢物的数据,让我们能够更好的理解整体系统水平的肠道微生物群和代谢物之间的联系,更好地研究特定微生物对特定代谢物的影响。本文我们回顾微生物群如何决定特定代谢物的水平,婴儿代谢物谱如何发展,以及根据其微生物和/或代谢物评估一个人的生理状态的前景。

论文ID

原名:The Intestinal Metabolome: An Intersection Between Microbiota and Host

译名:肠道代谢组:微生物与宿主之间的相互作用

期刊:Gastroenterolog

IF:20.773

发表时间:2014年

通信作者:Rob Knight

通信作者单位:Department of Chemistry and Biochemistry and Bio Frontiers Institute, University of Colorado at Boulder, Boulder, Colorado; Howard Hughes Medical Institute, Boulder, Colorado

综述内容

随着测序技术的快速发展,全世界的研究人员能够更好地评估肠道微生物组如何影响人类健康[1]。人类一出生就与微生物群存在共生关系。环境,与其他人类和动物的接近程度,饮食,遗传和时间改变等因素都能影响我们的皮肤,口腔和肠道中微生物组成。与其他之前未知的器官相比,微生物群具有广泛的代谢功能,并携带比人类基因组多达1000倍的基因。因此,微生物为宿主提供了一系列难以达到的代谢功能[11]。

肠道微生物群越来越被认为是药物的重要靶点,特定的微生物可以使特定的外源性物质失活或活化,从而改变不同治疗药物的作用[12]。代谢组学和代谢物分析已被广泛用于鉴定临床疾病生物标志物。例如,血液中甘油三酯,葡萄糖和胆固醇水平的定量分析可用于确定心脏病的风险。最初的微生物组研究试图确定与疾病,生理状态,药物使用或饮食摄入相关的细菌分类群。然而,并非所有干预都会改变微生物群落的组成及其基因含量和基因表达[13,14]。

代谢组学分析还有助于我们了解稀有细菌类群和基因变异的细菌类群对代谢功能的影响,如果稀有细菌类群具有重要的代谢功能,则可能作为关键物种对整个群落代谢组产生很大影响。肠道菌群核心功能的表达可随着可利用的底物(例如外源性物质)的改变而改变,即使微生物物种组成和丰度保持不变。

不同的微生物群落以不同的方式代谢外源性物质和膳食成分,对宿主的许多组织产生可变的影响(图1)[18]。宿主通过饮食或摄取外源性物质,对肠道微生物群的组成、基因表达和物质代谢产生影响。肠道微生物群将饮食和外源性物质代谢为代谢物,这些代谢物可以进入宿主的血液并在外周影响宿主,如药物可以菌群代谢失活,降低其功效,或者药物被转化为具有非目标和潜在毒性的衍生物。这些代谢物的变化能改变肠道的代谢组学特征,从而对宿主产生可变的影响。同时,新的宿主表型可以反过来对微生物群落产生反馈效应。

综述 | 肠道代谢组:微生物与宿主之间的相互作用(IF:20.773)

图1 宿主、微生物群和代谢物之间的相互作用

1、代谢状态评估中的代谢组学研究

代谢组学研究通过高通量分析方法分析复杂系统,包括肠道中小分子代谢物的组成成分。质谱和核磁共振可以对样品(如粪便,尿液和组织)中的微生物和宿主细胞产生的代谢物进行稳定而灵敏的鉴定。这些工具可通过同时定性和定量地分析数千种代谢物来确定治疗或扰动对宿主代谢特征的影响。借助开源代谢组学数据库,如HMDB,METLIN,LIPIDS MAPS,MassBank和NIST可以更快地识别和注释已知和未知的代谢物。通过使用多变量统计数据比较干预前后代谢组学谱,可以识别受实验变量显著影响的代谢物。

2、微生物组对代谢组的影响

代谢组学分析可以直接比较肠道微生物群的代谢与宿主中的代谢结果。Wikoff等通过非靶向质谱法获得无菌和常规培养的小鼠血浆代谢组学谱,通过对比研究肠道微生物群对宿主代谢的影响。研究发现,血浆中检测到的所有代谢物中超过10%的代谢物的浓度在有和没有肠道微生物的小鼠之间存在至少50%的差异。而且,许多代谢物仅在常规培养的小鼠(不是无菌小鼠)的血清中检测到。例如,与无菌小鼠相比,常规小鼠的血清中色氨酸的血清水平降低了40%,可能是因为存在能产生色氨酸酶的细菌[29]。

另一项研究评估了益生菌,益生元及其组合(称为“合生元”)在无菌小鼠中的全身效应,这些小鼠定植有能代表人类婴儿体内微生物的菌群组合,包括狄氏拟杆菌(Bacteroides distasonis),产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens),大肠杆菌(Escherichia coli),短双歧杆菌(Bifidobacterium breve),长双歧杆菌(Bifidobacterium longum),金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)。益生菌鼠李糖乳杆菌NCC4007和益生元半乳糖寡糖的膳食补充剂能显著改变上述7种细菌的相对比例,并引起小鼠不同组织的代谢特征的系统性变化。例如,益生元增加短双歧杆菌(B breve)、长双歧杆菌(B longum)和狄氏拟杆菌(B distasonis)的比例,降低大肠杆菌(E coli)和产气荚膜梭菌(C perfringens)的比例;通过降低血浆葡萄糖水平和肝脏甘油三酯水平改变脂质代谢。益生菌还具有降低血浆中脂蛋白水平,肝脏中谷氨酰胺水平和糖原水平等全身性作用。总体而言,益生元能显著改变血浆,尿液,粪便,肝脏,胰腺,肾皮质,肾髓质和肾上腺中的代谢组,益生菌在除胰腺外的所有上述部位中产生差异[30]。另有研究发现,益生菌和益生元对成人粪便样本中微生物的比例没有显著影响;但RNA测序数据显示,控制碳水化合物代谢的微生物基因的表达发生了改变[14]。这可能是与成人多样化和复杂的微生物群相比,在婴儿体内相对简单的微生物群更容易受到益生菌和益生元的影响。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,这个假设需要在动物模型中进行测试。

在上胃肠道消化系统未被消化的饮食成分为肠道微生物群提供了大部分的底物。肠道微生物群对碳水化合物的发酵产生短链脂肪酸,例如丁酸盐,丙酸盐和乙酸盐等。研究表明,患有溃疡性结肠炎等炎症性肠病的患者肠内产生丁酸盐的细菌比例较少,如罗斯拜瑞氏菌(Roseburia hominis)和普拉氏梭杆菌(Faecalibacterium prausnitzii)较少,导致丁酸盐含量较低[31,32]。除丁酸盐外,丙酸盐还可以增加外周免疫系统中的T调节细胞数量。因此,产生丁酸盐和丙酸盐的微生物的调节可用于治疗炎性肠病,例如溃疡性结肠炎。然而,丁酸盐和其他短链脂肪酸的抗炎机制仍然不明确。

3、预测性微生物宏基因组

宏基因组信息可以确定与微生物失调相关的不同疾病状态是如何影响代谢功能。研究表明,与体瘦受试者相比,肥胖受试者的微生物多样性降低体瘦受试者微生物群中含有较高比例的与抗炎活性相关的微生物,如普拉氏梭杆菌(Faecalibacterium prausnitzii)。肥胖受试者的微生物群含有较高比例的可能与促炎作用相关的拟杆菌属细菌(Bacteroides species) 和活泼瘤胃球菌(Ruminococcus gnavus) [33,34]。基因功能分析研究表明,多样性较低的微生物群可能产生较低水平的丁酸盐,硫化氢的生成增加,并抗氧化应激能力降低。微生物是否对宿主起到保护作用,或者低多样性是否是特定疾病的副作用(而不是原因),这是肠道微生物及其代谢产物研究中尚未被阐明清楚的问题之一,需要通过更加前瞻性研究予以解释。

通过重建未观察状态进行群落系统发育研究(PICRUSt),开发系统发育和功能之间的强关联性,这种软件系统可以使用16S扩增子序列估计微生物群落的代谢组学功能谱。简而言之,PICRUSt采用系统发育树,通过已知节点子集的基因谱,并利用祖先状态重建来估计其他未表征节点的功能基因内容。与与从人类微生物组项目获得的完全测序的宏基因组相比,PICRUSt能够对来自16S标记基因推断的宏基因组进行强有力的预测(平均spearman秩相关系数r= 0.82)。另一个强大的计算工具是预测相对代谢转换(Predicted Relative Metabolic Turnover),它使用基因计数来预测系统中代谢物的相对消耗和产量,用于建模和假设生成[37]。诸如PICRUSt和预测相对代谢转换之类的工具能更有效地确定是否应该使用额外的资源来进行更全面的代谢分析和宏基因组测序。但是,必须使用匹配的数据集验证结果,以评估其性能的限制。

4、婴儿的代谢组学概况

婴儿期微生物组和免疫系统的变化可能会产生持久的影响,如导致过敏的发生。微生物群的不同变化一般发生在出生的前两年,并与环境和饮食的变化相关,可通过研究婴儿粪便代谢组的变化进行追踪。对婴儿患有乳糜泻风险的的研究表明,6个月以下婴儿的代谢组以糖为主,包括乳糖和葡萄糖。然而,6个月后,它们的代谢组发生变化,增加了氨基酸和短链脂肪酸的浓度。主成分分析(PCA)显示2岁儿童的代谢组与成人相似,因为醋酸盐和丁酸盐的含量增加[40]。16S扩增子研究结果也证实婴儿微生物群在2岁时与同社区的成人肠道菌群类似[41]。显然,婴儿的肠道微生物群更适合代谢母乳。特定双歧杆菌具有调节人乳衍生的低聚糖的基因富集的基因组,这一优势使它们成为人类肠道的第一优势细菌[42]。

5、外源性物质生物代谢

除了源自饮食的常量营养素之外,存在于胃肠道中的微生物可能暴露于多种外源性物质(如抗生素,药物和饮食衍生的生物活性化合物)。由于肠道微生物组编码了许多具有不同活性的酶,因此许多外源性物质会被肠道微生物群代谢。虽然,我们认识到微生物对外源性物质的代谢作用至少已有40年[43-45],但我们才刚开始揭示这一过程的机制。外源性物质也可以调节肠道微生物组的表达和活性,进而增加这一相互作用的复杂性。微生物来源的代谢物可能干扰外源性物质的宿主代谢,而饮食衍生的营养素可以调节外源性物质的微生物代谢。

Clayton等于2009年最早提供肠道微生物群与外源性物质代谢相互作用的详细证据[46]。他们利用代谢组学分析系统将微生物代谢物对甲酚的存在和对乙酰氨基酚的磺化与葡萄糖醛酸化的比例的减少相关联。对甲酚产量的增加降低了肝脏正常代谢该药物的能力,可能是因为对甲酚与磺基转移酶竞争。后续研究表明,微生物来源的代谢物可以调节一系列宿主酶的表达和活性,包括主要的外源性物质代谢细胞色素酶。这些研究为基于微生物和宿主代谢选择性治疗的宏基因组方法奠定基础。

除了与代谢物产生的相互作用之外,肠道微生物群还可以通过催化影响外源性物质的多种反应在外源性物质代谢中具有更直接的作用。最近的综述总结了微生物代谢外源性物质的许多过程[12,48,49],但只有少数几个已经确定了具体机制。如地高辛可以被放线菌门(Actinobacteria)中迟缓埃格特菌(Eggerthella lenta)灭活[50]。最近研究发现能被地高辛和其他心脏糖苷上调的一种编码细胞色素的操纵子在能灭活地高辛的菌株中独特存在。通过与迟缓埃格特菌(E lenta)单独结合的小鼠增加膳食蛋白质摄入来阻断地高辛的失活[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响结直肠癌药物伊立替康的作用。已知微生物产生的酶在肠道中解偶联伊立替康代谢物,引起炎症,腹泻和厌食。研究表明,与β葡萄糖醛酸酶抑制剂共同给药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疗药物的功效,这表明微生物群在介导对这些药物的反应中具有重要的作用[54,55]。

6、发现相关性的计算挑战

识别代谢物列联表中的统计学上有意义的模式(记录每个样品中每种代谢物计数的丰度的表格)在理论上是直接的,但通常在实践中使用数学上毫无根据的技术进行。例如,方差分析和t检验常用于确定样本组之间代谢物丰度的显著性差异,而不确定基础数据是否满足分布要求。正态性,方差相等和均匀的群体特征是正确计算统计显著性(P值或错误发现率)所必需的。尽管可以用非参数检验来代替数据的非正态性,但这些方法仍然无法解决2个基本的计算挑战:从大量统计学上显著的结果中提取生物学上显著的结果,以及多变量生物学数据通常归一化为总和的事实,这种单一约束条件违反了大多数测试统计假定的欧几里德空间模型(见下文)。减少生物学上不相关但具有统计学意义的结果的最广泛应用的方法是在根据为特征指定预期生物相关性的度量进行测试之前从列联表中删除特征(分类群,KEGG orthology 数据库,酶学编号等)。该“度量”通常与整体表丰度一样简单(例如,如果i在所有观察值的 1%中,则移除特征i)或整体样本表示(例如,如果i在 20%的样本中则移除特征i)。这种筛选方法由直觉驱动的,即更广泛共享的特征在生物学上更重要,并且具有降低多个假设检验校正因子的严重性的额外吸引力。遗憾的是,尽管这种方法很普遍,但尚未对其灵敏度,特异性甚至错误发现控制进行系统的基准测试或评估,特别是在结合微生物组和代谢组学数据集的领域。

识别组间特征差异表示的补充方法是通过共现分析寻找特征之间的相互作用(图2)。传统的共现检测方法,包括特征向量之间的Spearman或Pearson相关,当数据是“成分”时(即,位于单形而非欧几里德空间中)是不可靠的[56,57]。因为组成性是多组学数据的一个特征(16S扩增子调查本质上是组成因素,因为任何列联表中不等抽样的标准化引入了组合性),因此开发了SparCC和CoNet等方法来捕获真实的相关性。

综述 | 肠道代谢组:微生物与宿主之间的相互作用(IF:20.773)

图2.探索代谢组学与微生物组之间的相互作用

代谢组学和高通量测序都产生了大量信息。这些高度多变量数据集之间的相互作用的可视化对于阐明关系非常重要。在该示例三方网络中,大的蓝色方形节点表示样本,其连接到红色菱形(代谢物)和黑色圆圈(操作分类单元[OTU])。OTU节点或代谢物节点离样品节点越近,该样品中该代谢物或该OTU的相对丰度越大。因此,在网络中相近的OTU和代谢物倾向于在相同的样品中发现(这表明但不能最终证明代谢物可能由该OTU产生)。三方网络还显示样品共享哪些代谢物和OTU,哪些代谢物和OTU对于给定样品是独特的。正如本综述所讨论的,正在开发一些方法来帮助将生物学上重要的关联从许多具有统计意义的关联中分离出来。一旦确定,我们就可以看到宿主和微生物组之间的相互作用如何控制生物学上重要的代谢物。

7、结论

与我们的人类基因组相比,肠道微生物群的整体多样性和可塑性为个性化医疗提供了令人兴奋的新前景,特别是用于确定微生物影响药物和饮食中代谢物产生的机制的研究。尽管还有许多工作要做,特别是在计算方法方面,但已经出现的代谢组学和微生物群落分析的实验框架应该被用于快速宿主表征,然后进行临床潜力的后续分析。

注:文中参考序号和原文一样,想看参考文献的朋友可下载原文进行查看。

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