Briefings in Bioinformatics | 多组学分析显示肥胖成年人肠道微生物代谢物的改变

Integrated omics analysis reveals the alteration of gut microbe–metabolites in obese adults

发表期刊：Briefings in Bioinformatics                 

影响因子：8.99

技术手段：宏基因组、代谢组

背景介绍

肥胖已成为威胁人类健康的全球性问题，尤其是在发达国家。据报道，全世界约13％的成年人患有肥胖症。肥胖对健康的影响将发展为非传染性疾病，如糖尿病，心血管疾病和癌症。现已认识到肠道菌群组成和功能的改变是新陈代谢损害的标志之一。越来越多的证据表明，肠道菌群可以调节饮食，改变宿主的新陈代谢和代谢紊乱的发生。肠道菌群会产生极为多样的代谢产物，并在宿主中发挥重要的生理作用。在人类和动物模型中进行的多项研究表明，肠道菌群对各种代谢特征和功能障碍有重要贡献。在无菌小鼠中的研究表明，产生丁酸盐的细菌的定殖使结肠上皮摆脱了在无菌结肠上皮中观察到的能量饥饿状态和自噬。此外，肠道乳酸菌还产生亚油酸代谢产物KetoA，它在全身能量代谢中起着重要作用，饮食中摄取KetoA可以增加小鼠的能量消耗，从而保护小鼠免于饮食引起的肥胖。此外，流行病学和实验室研究报告表明，肠道微生物群依赖的代谢产物，例如短链脂肪酸（SCFA），通过它们在能量获取中的作用，与代谢综合征的发展密切相关。因此，肠道代谢产物被认为是将肠道菌群与代谢综合症联系起来的主要因素。尽管已知肠道菌群对宿主代谢产物水平的影响，但肥胖个体中肠道菌群，肠道代谢产物与宿主代谢之间可能的相关性仍然有限。

这项研究对3名肥胖患者和3名正常成人粪便样本提取DNA进行16S rRNA测序分析，并对这6个粪便样本和血清样本提取代谢物进行LC-MS代谢组学分析，检测肥胖和非肥胖成年人肠道和血清中代谢物的变化。

研究结果

1.肥胖成年人肠道微生物组变化

16S rRNA测序结果显示，在正常组（图1A）中聚类到了1035个OTU，在肥胖组（图1B）中聚类到了989个OTU，其中在两个组中共有862个（图1C）。α多样性分析表明在正常成年人和肥胖成年人之间，未观察到肠道细菌种类多样性的显著差异（图1D）。对两组粪便微生物群落的比较分析表明，肥胖成年人的梭状芽孢杆菌明显减少。梭状芽胞杆菌属含有大约250种细菌，占肠道菌群的最大比例。此外，在肥胖成年人肠道中，观察到微生物群落的减少，包括变形菌科，理研菌科和巴斯德菌科家族（图2A和B）以及阿里斯提氏菌和嗜血杆菌属的微生物（图2C）。

图1

在属水平上，与正常成年人相比，肥胖成年人肠道中异位丙酸杆菌，不动杆菌纲，双歧杆菌和伯克霍尔德勒氏菌显著富集（图2C）。这些数据表明肠道微生物组成的改变可能会扰乱免疫稳态。通过PICRUSt分析对菌群进行系统发育研究，以预测在肥胖成年人中观察到的微生物组变化的潜在功能作用。分析结果表明在糖酵解，三羧酸循环（TCA）和同乳酸发酵中功能发生了变化。糖酵解和TCA循环分别是葡萄糖稳态和能量消耗的重要生物学过程。糖酵解负责调节各种细胞（尤其是肝细胞）的胰岛素分泌和代谢功能。糖酵解的改变据报道与肥胖有关，并且肝糖酵解的增强已显示可减少肥胖小鼠的体重和肥胖，而糖酵解的减少在糖尿病大鼠中导致肝细胞葡萄糖循环的增加。在高脂饮食小鼠模型的肝脏中，TCA循环被发现升高。在这项研究中，在肥胖成年人的肠道微生物组中获得了相反的结果，显示其TCA循环代谢产物的水平降低，这可能归因于肥胖患者中TCA循环酶的失调。同源发酵是通过Embden-Meyerhof糖酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸，这可能是各种代谢异常的主要因素，例如肥胖，糖尿病，心血管疾病，癌症，高血压，泌尿生殖系统并发症，肝脏胃肠道疾病和溃疡。然而，其在人类病理学中的作用尚未被很好地理解。综上所述，研究数据表明肥胖成年人肠道微生物组的改变可能有助于宿主代谢的改变。

图2

2.肥胖成年人的粪便代谢组学变化

比较代谢组学分析显示，代谢产物的分布存在明显差异（图3C）。在MS1分析中，肥胖成人粪便通过PIM（图3D）获得1913个带注释的代谢物（797个上调和1116个下调的代谢物），通过NIM1获得288个带注释的代谢物（532个上调和756个下调）（图3E，显示与正常成年人相比明显失调。

图3

为了阐明肥胖成年人粪便代谢产物的变化与代谢紊乱之间的相关性，对KEGG通路进行了分析，以阐明肥胖成年人的代谢途径与次生代谢产物的生物合成之间有着密切的联系（图4A）。影响的代谢途径包括组氨酸代谢，苯丙氨酸代谢和脂肪酸代谢（图4A）。组氨酸主要从日常摄入的蛋白质中获得，它可用于代谢能的产生，约占代谢能产生的15％。此外，组氨酸可用于通过糖异生作用产生葡萄糖。因此，组氨酸代谢的改变可能导致能量和葡萄糖稳态的失衡。苯丙氨酸是一种人体必需的氨基酸，可以通过苯丙氨酸羟化酶转化为酪氨酸。据报道，血清苯丙氨酸水平与许多人类疾病有关，例如心力衰竭。更重要的是，在肥胖和糖尿病状态下血浆苯丙氨酸水平升高。MoranRamos等人证明在墨西哥儿童中，包括苯丙氨酸在内的血清氨基酸特征与肥胖显著相关，其中苯丙氨酸与高甘油三酯血症的风险关系最密切。此外，几项研究表明血浆苯丙氨酸与T2D的风险具有一致的正相关性。当放大这些途径时，观察到了几种脂肪酸代谢，例如花生四烯酸代谢，不饱和脂肪酸的生物合成，脂肪酸延长和降解（图4B）。此外，还发现肥胖成年人的粪便中的葡萄糖代谢（包括半乳糖，果糖，甘露糖，淀粉和蔗糖代谢）发生了变化（图4B）。总的来说，这些数据与肥胖成年人肠道菌群的变化一致，这些变化可能导致能量和葡萄糖稳态失衡。

图4

3.肥胖成年人的血清代谢组学变化

通过比较代谢组学分析以确定肥胖成年人与正常成年人的血清代谢产物的变化。肥胖和正常成年人之间血清代谢产物谱的比较显示出显著差异（图5C）。PIM鉴定了384个失调（包括127个上调和257个失调）代谢物（图5D），而NIM鉴定了498个失调（包括339个上调和159个失调）代谢物（图5E）。对失调代谢物的KEGG通路分析表明，与成年人粪便代谢组学分析一样，肥胖成年人的代谢途径也发生了改变（图5F），从而支撑了肠道微生物代谢物与宿主血清代谢物之间可能的相互作用。此外，初级胆汁酸的生物合成，花生四烯酸的代谢和肠道免疫网络的IgA产生也受到干扰（图5F）。

图5

胆汁酸是在肝脏中合成的甾体酸，负责脂肪代谢，例如脂肪的消化和吸收。敲除小鼠模型通过核受体LXR和细胞表面受体G蛋白偶联的胆汁酸受体5的激活，证明了其在葡萄糖和脂质稳态中的作用。胆汁转移被发现与肠道菌群的改变有关，并通过改善葡萄糖和脂质体内稳态而使体重明显减轻。此外，据报道胆汁酸可控制肥胖症和T2D等代谢性疾病中的代谢和炎症。在质膜的磷脂中发现了花生四烯酸，这是一种多不饱和脂肪酸。越来越多的研究表明，花生四烯酸及其衍生物在营养物质代谢中发挥作用，因此与肥胖和糖尿病等代谢性疾病的发展有关。例如，花生四烯酸衍生的羟基二十碳四烯酸和邻二醇与BMI和腰围高度相关。此外，一项对来自克里特岛和塞浦路斯的88名儿童的人口研究还表明，脂肪组织花生四烯酸和BMI与超重状态之间存在正相。

4.综合代谢组学分析

随后，对从粪便和血清样品中获得的代谢组学数据进行了综合分析，以了解肠道菌群与肠道宿主代谢物谱之间的相关性。这项研究确定了肥胖患者粪便和血清样本中常见的25种代谢失调的代谢物，包括11种上调的代谢产物和14种下调的代谢产物（表1）。据报道，一些代谢失调的代谢物包括l苯丙氨酸，l酪氨酸，尿酸，犬尿酸，胆固醇硫酸盐和葡萄糖胺，可导致代谢紊乱，例如肥胖。

表1 

L-苯丙氨酸是一种饱腹感激素胆囊收缩素的有效释放剂。据报道，L-苯丙氨酸参与能量摄入，补充苯丙氨酸可刺激全身脂肪氧化。此外，一项啮齿动物的研究表明，L-苯丙氨酸可调节肠道激素的释放和葡萄糖耐量，从而通过啮齿动物中的钙敏感受体抑制食物的摄入。据报道，血浆中的另一种必需氨基酸，L-酪氨酸也与人的肥胖，胰岛素抵抗，T2D和非酒精性脂肪肝有关。酪氨酸被认为是与BMI相关的氨基酸之一，因为体重减轻后酪氨酸水平降低了。另外，它也被证明与肥胖儿童支链氨基酸代谢改变之前的胰岛素抵抗有关。在201名发展中的糖尿病患者中进行的血清代谢组学分析表明，糖尿病与包括酪氨酸在内的芳香氨基酸之间存在显著相关性，酪氨酸水平已被确定为T2D发病的重要预测因素。

尿酸是嘌呤的天然代谢物，是尿液的主要成分。血清尿酸水平是肥胖和糖尿病等代谢疾病的指标]。最近在205个肥胖儿童中进行的横断面研究表明，尿酸与其他与肥胖相关的参数（如甘油三酸酯和胰岛素抵抗）之间存在关联。另一项最新研究报道了相似的结果，表明肥胖和超重儿童的血清尿酸浓度和腰围与IR和血脂异常之间存在显着正相关。据报道，不仅与肥胖有关，而且血清尿酸浓度也与T2D有关。一项随机选择的3200名意大利居民的临床研究表明，尿酸增加与空腹血糖受损风险增加之间呈正相关，而高尿酸水平的人更容易患上代谢综合征和糖尿病。这是因为高水平的血清尿酸损害了肝脏的胰岛素敏感性和胰岛素清除率，通过ENPP1募集干扰了胰岛素信号传导途径，并导致脂质代谢不良。另外，在糖尿病患者葡萄糖代谢受损的早期，血清尿酸水平升高。因此，血清尿酸是代谢综合征，糖尿病和高血压的重要生物标志物。此外，一项有限的研究证明了胆固醇硫酸盐，氨基葡萄糖和犬尿酸与肥胖的相关性。例如，一项肥胖的小鼠研究表明，胆固醇硫酸盐通过抑制乙酰辅酶A合成酶的表达来抑制糖异生。葡萄糖胺是壳聚糖的降解产物，存在于海洋无脊椎动物的外骨骼中。多项研究表明，氨基葡萄糖可用于抗发炎，清除自由基和抗肥胖作用。葡萄糖胺抑制了脂肪细胞的分化，从而预防了肥胖大鼠的血脂异常和体重增加。一项大鼠脂肪细胞研究显示，喹啉尿酸增加了能量消耗，而一项人群研究212糖尿病患者和836个随机抽样研究表明，喹啉尿酸水平与较高的BMI相关。

研究结论

总的来说，研究结果表明肥胖成年人的血清和粪便代谢产物协调失调，这些失调与肠道菌群改变引起的功能改变相吻合。但是，本研究结果与以前的一些研究并不完全匹配。例如，在一组清瘦和肥胖的中国人中进行的血清代谢组学研究表明，拟杆菌中肠杆菌的肠道丰度显著降低，并且与血清谷氨酸浓度呈负相关，但在我们的研究中未观察到。不同的生活方式和饮食也是导致肥胖的重要因素，这可以解释这一点。此外，年龄应该也是导致肥胖的另一个因素，因为它也与生活方式密切相关。因此，应该注意的是，我们的研究招募的个体具有明显的年龄差异。此外，需要通过无菌小鼠模型进一步证实本研究中确定的血清与粪便代谢产物之间的因果关系。此外，相对较小的样本量也是该研究的关注点。因此，我们将我们的结果与许多类似的已发表报告进行了比较，发现我们的结果与先前的相关报告一致。在过去的几十年中，有一些零散的研究仅着眼于肥胖者的肠道微生物组代谢物或血清代谢物，但尚无系统的研究报道肠道微生物组代谢物与宿主血清代谢物之间可能存在的相关性。因此，本报告首次对该重要相关性提供了新颖的见解。但是，通过大量肥胖患者的样本量来概括该发现，可以进一步证实本研究中发现的肠道微生物组和肠道宿主代谢物的失控。

总而言之，这项研究评估了肠道菌群通过肠道代谢产物的变化对宿主代谢产物的可能影响，并揭示了肠道菌群的改变可能会影响肠道和宿主体内的代谢产物，从而导致了肥胖症和糖尿病等代谢性疾病。这项研究的发现列举了代谢物的变化，可以作为肥胖和代谢紊乱的生物标志物得到扩展。

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