大鼠-腸道微生物共代謝研究
今天，小編要為大家分享一篇經典的代謝組學文獻，這一篇文獻的作者從代謝組學的視角對腸道微生物與哺乳動物的關系進行了解讀。
在人體的皮膚、腸道、口腔等部位定殖了大量有益于身心健康的微生物，人體內最復雜的微生物定殖環境當屬腸道，據估計大約有150克的微生物定殖于腸道。對這些微生物群落DNA進行高通量測序，鑒定群體中所有功能基因的種類和豐度的科學稱作狹義的宏基因組學。而廣義的宏基因組學泛指研究微生物群體組成、功能基因、代謝產物的學科。這些研究的核心是這些微生物群落的功能。人類的腸道微生物通過微生物 - 宿主共代謝作用和信號傳導作用發揮多種有用的功能。腸道微生物利用人體內未被用于產能的物質生成具有重要生物功能的代謝物，如短鏈脂肪酸（SCFAs）、生物素和維生素 K等，以發揮刺激細胞生長、抑制有害微生物、抵御疾病的作用。腸道的有益菌群還可以調節宿主的營養物質代謝、藥物代謝。早在1930年, 美國賓夕法尼亞大學的皮膚學家 Stokes和Pillsbury就提出了腸-腦-皮膚統一理論 (gut-brain-skin unifying theory)，他認為腸道微生物, 大腦和皮膚之間存在密切聯系。到二十世紀80年代，越來越多的研究者將腸道、大腦和皮膚之間的關系用腸-腦-皮軸(gut-brain-skin axis)來表示，認為腸道微生物可以影響系統性炎癥、氧化應激、血糖控制、組織脂質含量, 甚至宿主的情緒等，并可以影響皮膚疾病。 而小編今天分享的這一篇文獻的作者，依據此理論，反其道而行之，提出了一種通過改變腸道微生物組來調節哺乳動物代謝失調、逆轉病理狀態、治療疾病的策略。使用這種策略，通過改變腸道微生物的種類和各種群的比例，可以治療代謝紊亂、胃腸（GI）道病癥、神經障礙等。
下面，小編就為大家詳細地分享這一篇經典代謝組學文獻。作者認為運用代謝組學方法分析腸道的代謝物，可監測腸道微生物的變化。通過檢測和分析尿液樣品、糞便樣品的代謝譜可推測腸道內微生物的狀況。因此，需要繪制在不同條件下微生物 - 哺乳動物共代謝產生代謝物的完整代謝物譜。這些代謝譜還可以提高我們對腸道微生物功能、種類、功能宏基因組的理解，更好的理解腸道與微生物相互作用的分子機制。而在這一篇文獻中，作者采用廣譜抗生素亞胺硫霉素處理作為哺乳動物實驗模型的Wistar大鼠，獲得了Wistar大鼠在腸道近乎沒有微生物條件下的代謝信息，作者還描繪出Wistar大鼠在腸道沒有微生物時的代謝譜，將其作為表征腸道代謝物與腸道微生物關系的重要基準信息。
實驗設計
我們來看一下這個實驗是如何設計的。在無特定病原體（SPF）環境中，為Wistar大鼠注射β-內酰胺類廣譜抗生素：亞胺硫霉素(又稱亞胺培南、西拉司丁鈉)， 使Wistar大鼠胃腸道暴露在廣譜抗生素環境中，攝入的劑量是每天50mg / kg大鼠體重，持續4天。之后停止攝入，恢復14天。此研究收集了在Wistar大鼠攝入亞胺硫霉素的第0天（給藥前），第1-4天-即抗生素攝入期間，以及恢復期的第5、8、12和18天的尿液和糞便樣品，采用基于非靶向質譜的氣相色譜-質譜（GCMS）、和液相色譜-質譜（LCMS）技術分析了Wistar大鼠的尿液、糞便等代謝物，并繪制了代謝譜數據圖表。
實驗結果與討論
抗生素干預對Wistar大鼠代謝產生了影響。
圖1.代謝數據軌跡圖和偏最小二乘分析（PLS-DA）得分圖，顯示了代謝組的改變。
圖1和圖2中的代謝數據軌跡圖、偏最小二乘（PLS-DA）得分圖、熱圖描繪了Wistar大鼠攝入抗生素后總體的代謝變化和腸道菌群動態變化。Wistar大鼠尿液和糞便樣品代謝組軌跡顯示了在為期19天的實驗中抗生素攝入組大鼠代謝數據的動態變化。從第0天（抗生素攝入前1天）到第1天代謝軌跡開始發生顯著變化，從第1天到第5天繼續“漂移”，在第5天停止攝入抗生素后，代謝軌跡開始逐漸回調，在實驗第18天恢復到接近對照組的穩定模式。偏最小二乘（PLS-DA）得分圖數據分析印證了以上的結論。這也可以通過尿和糞便代謝物的熱圖來證明，圖2（Figure 2）顯示：從第8到開始到第18天，大鼠的代謝波動逐漸減弱，直至最后回歸到抗生素攝入期前。以上的結果表明：經過連續4天攝入抗生素后，大鼠能在2周內恢復腸道微生物生態平衡。
圖2.表征腸道微生物與哺乳動物共代謝特征的尿液和糞便樣品代謝物數據熱圖。 熱圖顯示了由于Wistar大鼠攝入抗生素導致的尿液樣品（左）和糞便樣品（右）中代謝物含量隨時間而變化（紅色=濃度增加，藍色=濃度降低）。 熱圖中的每個單元格代表特定代謝物的倍數變化。
作者還通過進一步代謝表型分析，找到Wistar大鼠攝入β-內酰胺類廣譜抗生素后尿液和糞便樣品中的差異代謝物，共鑒定出202個尿液樣品差異代謝物和223個糞便樣品差異代謝物。其中，如寡肽和碳水化合物是之前沒報道的差異代謝物，這些差異與功能性腸道微生物顯著相關。差異代謝物中包含許多芳香物質如：苯和含吲哚結構的物質。這些物質的濃度在尿液和糞便樣品有具有大的倍數變化。Wistar大鼠在攝入抗生素后，尿液和糞便樣品中含苯環結構的差異代謝物包括：對羥基苯乙酸，間 - 苯基乙酸，羥基肉桂酸，苯基戊酸和對氨基苯甲酸；吲哚類差異代謝物包括：硫酸吲哚酯、吲哚乙酸、吲哚羧酸、吲哚乙醛，它們的濃度都降低。與對照組相比，Wistar大鼠在攝入抗生素的第1天至第5天尿液中的尿酸水平顯著降低。Wistar大鼠在攝入抗生素后，尿液和糞便樣品中短鏈脂肪酸（SCFAs）含量降低，并且糞便樣品中的短鏈脂肪酸下調程度比尿液樣品中下調程度更大。幾種寡肽尤其是二肽和三肽在尿液樣品中顯著增加。尿嘧啶在尿液和糞便樣品中均顯著減少。由于糞便樣品的代謝特征直接反映了由于抗生素攝入引起的微生物組成變化，因此從檢測到的變量（改變的代謝物）的數量和統計顯著性來看，抗生素干預對糞便代謝物的影響程度大于對尿液代謝的影響。
抗生素干擾所造成了與腸道微生物相關的代謝物分布的改變。
圖3. Wistar大鼠攝入抗生素后，其尿液和糞便樣品中發生改變代謝物的類別。
圖3（Figure 3）中的兩個餅圖顯示Wistar大鼠攝入抗生素后，其尿液和糞便樣品中哪些類別的代謝物發生改變。而圖4 （Figure 4）則顯示Wistar大鼠在攝入抗生素后，糞便樣品中色氨酸和色胺在濃度增加，尿液樣品中甲基色胺和5-羥色胺含量增加，吲哚含量減少。
圖4. Wistar大鼠攝入抗生素后，色氨酸、吲哚代謝的動態改變。 條形圖顯示途徑中每種代謝物的倍數變化（y軸），分別是攝入抗生素后第1、3、5、8天（x軸）的濃度倍數變化。 灰色條表示糞便樣品代謝物數據，而橙色條表示尿液樣品代謝物數據 。
腸-腦軸通過調節褪黑激素分泌水平，補償吲哚水平下降造成的影響，維持腸道穩態。
色氨酸代謝與腸道微生物有關，腸道細菌（主要是大腸桿菌）中的色氨酸酶將色氨酸代謝成吲哚，腸道進一步吸收吲哚到血液中，吲哚在肝臟中代謝成羥基吲哚硫酸鹽，然后通過尿液排出。Wistar大鼠攝入抗生素后，大部分腸道微生物瞬時消除，重要的細菌酶如色氨酸酶迅速減少，從而使色氨酸和吲哚代謝受到了干擾。結果，在尿液和糞便樣品中吲哚含量大大減少，而糞便樣品中的色氨酸水平升高，見圖4（Figure 4）。同時，Wistar大鼠攝入抗生素后，尿液和糞便樣品中色胺含量顯著增加，原因是腸道微生物的減少，導致微生物酶的減少，從而使得微生物酶將色胺轉化為含吲哚的代謝減少。而哺乳動物的利用色氨酸脫羧酶產生的色胺的過程仍不受影響，從而導致了色胺含量的累計和增加。另一種代謝產物，6-羥基褪黑素硫酸鹽在攝入了抗生素的Wistar大鼠尿液樣品中含量增加。6-羥基褪黑素硫酸鹽是褪黑激素的主要代謝產物， 并且是褪黑素合成和分泌的良好標志物。吲哚和褪黑激素在結構上彼此相似、可能具有相似的生物學功能。有研究表明，吲哚調節促炎癥反應基因的表達，增加抗炎癥反應基因的表達，并增強上皮細胞的屏障特性，這表明吲哚是腸上皮細胞有益細菌群的信號。攝入抗生素Wistar大鼠的尿液樣品、糞便樣品中6-羥基褪黑素升高的現象提示了：大腦中松果體、和各種外周細胞如骨髓、淋巴細胞、上皮細胞產生的褪黑激素升高。由于吲哚和褪黑激素在結構上彼此相似并且可能具有抗增殖等生物特性，因此可推測：尿液樣品、糞便樣品中觀察到的褪黑激素的異常高表達，是為了在腸道微生物遭破壞后繼續維持腸道穩態，以補償的吲哚水平下降造成的影響 。此外，實驗還觀察到尿液樣品、糞便樣品中，幾種色氨酸和酪氨酸代謝物，如多巴、多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素等神經遞質呈現代謝紊亂的狀態。這些研究結果都從側面證明了：腸道微生物的功能與腸 - 腦軸（gut-brain axis ，GBA）密切相關，腸 - 腦軸是一種整合腦和胃腸道功能的雙向神經介質通訊系統。腸 - 腦軸具有調節胃腸道保持動態平衡的功能，中樞神經系統可作用于胃腸道從而改變腸道中微生物群棲息的環境。
結論
本研究驗證了：腸道代謝譜的變化和腸道微生物組成變化有關聯性，利用代謝組學技術分析宿主代謝物的變化信息，可揭示微生物組的組成結構、微生物組與宿主相互作用關系等腸道微生物宏基因組信息。代謝組學技術將為探索腸道微生物宏基因組、解決病理學、毒理學或中常見、復雜問題提供新的研究平臺。
小編寄語
沒想到 “小小”的腸道菌群居然有這么重要的作用，而代謝組學居然還可以這么用。人體內腸道菌群約有1000多種，基因數量約330萬（約等于人類基因數量的150倍），對營養代謝、人體的發育、免疫及疾病產生等起重要的作用。代謝組學是20世紀90年代末期發展起來的一門新興學科。代謝物是基因表達和蛋白質活性的末端產物，放大了蛋白質組的變化，因而代謝組學相較于其它組學方法更接近于生物表型。代謝組學將會在腫瘤、糖尿病、植物和微生物工程等研究中大放異彩。近年來研究者們利用代謝組學技術、宏基因組技術等先進的分析手段、數據挖掘技術不斷擴大著“代謝組-微生物組”數據庫，這一些努力必將助力破解腸道微生物、哺乳動物宿主之間關系，推動解決病理學、毒理學和藥物代謝研究中遇到的問題。
文獻內容
Title: The Footprints of Gut Microbial-Mammalian Co-Metabolism
Author: Xiaojiao Zheng, Guoxiang Xie, Aihua Zhao, Linjing Zhao,Chun Yao,Norman H. L. Chiu,Zhanxiang Zhou, Yuqian Bao, Weiping Jia, Jeremy K. Nicholson, and Wei Jia
Journal: Journal of Proteome Research 2011, 10, 5512–5522 dx.doi.org/
Keywords: gut microbial mammalian co-metabolism, microbiome, metabonomics, metabolomics, metagenomics, antibiotics, mass spectrometry
Abstract： I Gut microbiota are associated with essential various biological functions in humans through a “network” of microbial-host co-metabolism to process nutrients and drugs and modulate the activities of multiple pathways in organ systems that are linked to different diseases. The microbiome impacts strongly on the metabolic phenotypes of the host, and hence, metabolic readouts can give insights in o functional metagenomic activity. We applied an untargeted mass spectrometry (MS) based metabonomics approach to profile normal Wistar rats exposed to a broad spectrum β-lactam antibiotic imipenem/cilastatin sodium, at 50 mg/kg/daily for 4 days followed by a 14-day recovery period. In-depth metabolic phenotyping allowed identification of a panel of 202 urinary and 223 fecal metabolites significantly related to end points of a functional metagenome (p < 0.05 in at least one day), many of which have not been previously reported such as oligopeptides and carbohydrates. This study shows extensive gut microbiota modulation of host systemic metabolism involving short-chain fatty acids, tryptophan, tyrosine metabolism, and possibly a compensatory mechanism of indole melatonin production. Given the integral nature of the mammalian genome and metagenome, this panel of metabolites will provide a new platform for potential therapeutic markers and mechanistic solutions to complex problems commonly encountered in pathology, toxicology, or drug metabolism studies.
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