氨基酸（Amino Acids，AAs）是人體必需的物質(zhì)，它不僅是蛋白質(zhì)合成的原材料，還可以參與微生物代謝。人體獲取氨基酸不僅可以通過腸道吸收，還可以由微生物代謝產(chǎn)生。不僅如此，氨基酸組成和豐度的變化可影響代謝細菌群落，并通過TLR受體、NLR受體等調(diào)節(jié)巨噬細胞和樹突狀細胞，還可通過AhR受體、5-HT調(diào)節(jié)腸道微生物免疫軸，以及其他信號通路，所有這些通路在直接或間接調(diào)節(jié)腸粘膜免疫和微生物群方面起著關鍵作用，有助于腸道內(nèi)環(huán)境平衡。[1]
通過微生物組學+代謝組學結合的研究方式，可以對氨基酸在代謝活動中變化、宿主代謝變化等多維度監(jiān)測，全面解讀微生物代謝與宿主之間相關聯(lián)系，探索微生物-代謝產(chǎn)物-宿主三者之間互作機制。
圖1.氨基酸在大腸中的代謝[1]
今天，我們將從三個案例，見證代謝組學與多重組學結合的非凡效果，認識代謝組學在研究中的重要性。
宏基因組+非靶向代謝組
英文名稱：Obesity Impairs Short-Term and Working Memory through Gut Microbial Metabolism of Aromatic Amino Acids[2]
中文名稱：肥胖通過腸道微生物代謝芳香族氨基酸損害短期記憶和工作記憶
期刊：Cell Metabolism
影響因子：27.287
發(fā)表時間：2020.10.06
圖2.肥胖通過腸道微生物影響記憶
主要研究方法與結論：
（1）宏基因組，代謝組
①實驗對象：116名中年人（65肥胖+51非肥胖）糞便宏基因組測序，血漿+糞便代謝組檢測
②實驗思路：測定大腦功能和結構，測定腸道微生物組，受試者記憶評分，大腦結構+大腦功能+腸道微生物聯(lián)合分析
③實驗結論：特定微生物群組成與不同記憶域相關，在非文字記憶方面與變形菌門相關，工作記憶則與硒單胞菌科、乳球菌相關；一些特定腸道菌群與人腦內(nèi)結構相關，所有記憶區(qū)域評分與血漿中芳香氨基酸改變水平有關，
腸道菌群中與之相關代謝蛋白與詞語學習測試顯著相關
（2）移植腸道菌群（FMT）：
①實驗對象：小鼠（抗生素預處理14天），22名人類移植者（11名記憶高分+11名記憶低分）
②實驗思路：實驗組：口服糞菌，對照組：口服生理鹽水，測試小鼠短期記憶，長期記憶評分，小鼠腦前額葉外皮RNA測序
③實驗結論：肥胖受試者的腸道菌群導致受體小鼠記憶得分下降，代謝功能與供體一致，小鼠RNA測序證實芳香族氨基酸與記憶之間的聯(lián)系。
宏基因組+氨基酸靶向代謝組
英文名稱：Altered Gut Microbial Metabolism of Essential Nutrients in Primary Sclerosing Cholangitis[3]
中文名稱：原發(fā)性硬化性膽管炎腸道必需營養(yǎng)素微生物代謝的改變
期刊：Gastroenterology
影響因子：22.682
發(fā)表時間：2021.04
圖3.患病組（PSC）、健康組（HC）與腸炎組（IBD）腸道微生組遺傳潛力
主要研究方法與結論：
（1）宏基因組+代謝組：特定微生物組與PSC(原發(fā)性硬化性膽管炎)有關
①實驗對象：原發(fā)性硬化膽管炎患者（PSC，136例），健康對照（HC，158例），炎癥性腸病患者（IBD，無PSC，93例）
②實驗思路：糞便宏基因組測序，血漿靶向代謝組測序
③實驗結論：與HC患者相比，PSC的微生物較少，并且維生素B6合成相關基因和支鏈氨基酸（BCAAs）合成相關基因豐度差異顯著，代謝組檢測到PSC中維生素B6和BCAAs濃度降低，這與肝移植生存率降低密切相關，這表明研究微生物代謝物可能有助于查明與 PSC病程相關的生物學變化。
微生物組+非靶向代謝組+氨基酸靶向代謝組
英文名稱：Citrus polymethoxyflavones attenuate metabolic syndrome by regulating gut microbiome and amino acid metabolism[4]
中文名稱：柑橘多甲氧基黃酮通過調(diào)節(jié)腸道菌群和氨基酸代謝減輕代謝綜合征
雜志：Science Advances
影響因子：14.136
發(fā)表時間：2020.01.03
圖4.柑橘PMFE糞便移植對HFD小鼠具有代謝保護作用
主要研究方法與結論：
( 1）微生物組，非靶向代謝組，靶向代謝組
①實驗對象：經(jīng)過HFD(高脂飲食）喂養(yǎng)小鼠
②實驗思路：實驗組：PMFE喂養(yǎng)八周，對照組：不喂PMFE，觀測小鼠體重等生理結果，小鼠腸道菌群16s rDNA測序，代謝組檢測
③實驗結論：通過16s rDNA測序和代謝組學分析發(fā)現(xiàn)，純化的柑橘多甲氧基黃酮提取物(PMFE)有效地改善了高脂飲食(HFD)誘導的代謝綜合征(MetS)，減輕了腸道的生態(tài)失調(diào)，并調(diào)節(jié)了支鏈氨基酸(BCAA)的代謝。通過抗生素處理和糞菌移植實驗證明了PMFE的代謝保護作用依賴于腸道菌群，腸道菌群調(diào)節(jié)改變了宿主血清和糞便中的支鏈氨基酸濃度。PMFE極大地增加了共生卵形擬桿菌的豐度，降低了HFD小鼠的支鏈氨基酸濃度，緩解了代謝綜合征的癥狀。PMFE可用作益生菌劑來減輕代謝綜合征，靶向特異性微生物種類可能對代謝性疾病具有獨特的治療前景。
基于以上3篇文章我們可以發(fā)現(xiàn)，首先可以選擇價格較低，周期較快的微生物多樣性（16S rRNA基因）測序，初步了解不同處理組樣本微生群落組成的變化，得到差異的物種，若需要進一步在功能層面上進行研究，可進行宏基因組測序，探究功能的組成和變化規(guī)律，同時通過代謝組分析（非靶，靶向，廣靶等）得到代謝組的組成和差異，最后通過微生物+代謝聯(lián)合分析，全面的解析相關生物學問題，深入探究疾病發(fā)展機理，微生物與動植物互作機制等（如下圖所示）。
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參考文獻：
[1] Ma, N. and Ma, X. Dietary Amino Acids and the Gut-Microbiome-Immune Axis: Physiological Metabolism and Therapeutic Prospects. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2019,18: 221-242.https://doi.org/10.1111/1541-4337.12401
[2] Arnoriaga-Rodríguez M, Mayneris-Perxachs J, Burokas A,and etc. Obesity Impairs Short-Term and Working Memory through Gut Microbial Metabolism of Aromatic Amino Acids. Cell Metab. 2020 Oct 6;32(4):548-560.e7.doi: 10.1016/j.cmet.2020.09.002.
[3] Kummen M, Thingholm LB, Rühlemann MC,and etc. Altered Gut Microbial Metabolism of Essential Nutrients in Primary Sclerosing Cholangitis. Gastroenterology. 2021 Apr;160(5):1784-1798.e0.
doi: 10.1053/j.gastro.2020.12.058.
[4] Zeng S L, Li S Z, Xiao P T, et al. Citrus polymethoxyflavones attenuate metabolic syndrome by
京公網(wǎng)安備 11011302003368號