肠道的 Veillonella 能让你跑得更久？

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文献速递

研究发现马拉松运动员长跑后，肠道菌群中 Veillonella（韦荣球菌属）丰度增加，并从选手粪便中分离出一株 Veillonella atypica（非典型韦荣球菌），将其灌喂给小鼠可增加小鼠跑步时间。此外，Veillonella 利用乳酸作为碳源, 宏基因组分析发现乳酸到丙酸的代谢通路的运动后运动员中富集，韦荣球菌属包含所有通路涉及的基因。接着，同位素标记分析发现，血清乳酸可以通过上皮屏障进入小鼠肠腔；于是，小鼠直肠内滴注丙酸盐可增长小鼠力竭跑步时间，重现了小鼠灌喂 V. atypica 可提高运动性能的表现。

总而言之，运动产生的乳酸肠道可以肠屏障进入肠腔，肠道中的 V. atypica 可以把乳酸代谢为丙酸，从而提高运动表现。

Keywords: Veillonella atypica, metabolize lactate, propionate

Title: Meta-omics analysis of elite athletes identifies a performance-enhancing microbe that functions via lactate metabolism

DOI: 10.1038/s41591-019-0485-4

Journal: Nature Medicine [IF 30.641]

First Authors: Jonathan Scheiman,Jacob M Luber,Theodore A Chavkin

Correspondence: George M Church,Aleksandar D Kostic

Affiliation: Department of Genetics, Harvard Medical School, Boston, MA, USA.

Published: 2019-06-24

研究背景

之前已经有研究表明锻炼和微生物组改变相关，但是微生物具体发挥的作用却不知道。

研究思路

1. 发现阶段 — 找到差异的属 Veillonella 

收集 15 名马拉松运动员跑马拉松运动前后各一周内的样品（n = 209 )，和 10 名久坐对照个体的粪便样品进行 16S 测序。

2. 实验验证 — V. atypica 能提高运动表现

分别灌喂无法代谢乳酸的 Lactobacillus bulgaricus (n = 16) ,和从一个运动员粪便中提取的 Veillonella atypica（n= 16）；采用 AB/BA 实验设计；灌喂 5h 后使小鼠跑步到力竭；

3. 其他队列验证 — 将乳酸代谢为丙酸通路: 甲基丙二酰辅酶 A 途径 

收集超级马拉松和奥运试验赛艇运动员运动前后的粪便（n = 87），进行宏基因组测序。

4. 物种-功能验证 — V. atypica 可以乳酸代谢为丙酸

质谱分析培养物种（L. bulgaricus  和 V. atypica）后的培养基，观察短链脂肪酸含量(乙酸丙酸)；并行基因层面分析了微生物代谢乳酸通路所需酶的分布。

5. 宿主代谢机理 — 血液中的乳酸能通过上皮细胞进入肠腔

同位素标记法，尾部静脉注射 C13 乳酸钠至小鼠体内, 注射后 12 分钟处死；然后取出结肠和盲肠内容物，进行液相色谱 - 质谱（LC-MS）分析。

6. 代谢产物验证 — 丙酸是否能够提高运动表现

对小鼠进行内滴注丙酸盐（而非灌喂，是为了模拟肠道内微生物代谢产生的丙酸）

研究结果

1运动员运动后肠道中 Veillonella 丰度增加

16S 分析结果表明，运动员运动前后 5 天的肠道微生物门水平的变化差异是由于个体差异导致；而非受运动影响，但同时也观察到运动前后，Veillonella 相对丰度有显著差异（图1 a,b）。同时，通过广义线性混合效应模型（GLMM）预测 Veillonella 丰度，也能观察到其丰度随着时间推移而增加（图1 c），并发现 Veillonella 丰度变化只和马拉松运动后的天数相关（图1 d）。此外，作者还比较了跑步者和非跑步者 Veillonella 的变化，虽然跑步者中更多，但是并不统计学显著。

图 1. Gut Veillonella abundance is significantly associated with marathon running. 

2AB/BA 设计动物实验发现 V. atypica 能提高小鼠的运动表现

所以本研究中，一组小鼠先灌喂无法代谢乳酸的 L. bulgaricus (n = 16)，3 周后再灌喂从一个运动员粪便中提取的 V. atypica (n = 16)，另外一组则相反。结果发现，灌喂 V. atypica 的小鼠运动能力显著增加（P = 0.02, paired t-test），比对照的时间平均长 13%（图2.a）。GLMMs 分析也能观察到 V. atypica 改善了小鼠的运动表现，同时 Veillonella 丰度变化与干预时间和 V. atypica 干预相关（图2.b）。

AB/BA 设计：每个受试者随机进入试验后都要接受两种不同的治疗方式（treatment），一组先接受 A 种方式治疗再接受 B 种方式治疗，另外一组则是先接受 B 再接受 A 治疗。

图 2. V. atypica gavage improves treadmill run time in mice.

3其他队列验证运动前后乳酸代谢为丙酸通路增加

超级马拉松和奥运试验赛艇运动员运动前后的粪便（n = 87）宏基因组测序，物种分析中发现 Veillonella 相对丰度在运动前后确实有显著差异；微生物功能分析中发现，将乳酸代谢为丙酸的通路甲基丙二酰辅酶A途径的一组基因运动前后前后显著差异（图3.a）。此外，质谱分析 V. atypica 的培养基发现乙酸，丙酸，丁酸显著增加。接着，作者分析了含有 methylmalonyl- CoA pathway 基因的细菌的进化关系，并查找了它们在乳酸代谢为丙酸通路中基因分布情况，发现只有 V. atypica 拥有该通路全部的基因（图3.bc）。

图 3. The athlete gut microbiome is functionally enriched for the metabolism of lactate to propionate postexercise. 

4小鼠实验明了血液中的乳酸能通过上皮细胞进入肠腔，直肠滴注丙酸可增强运动表现

小鼠尾部静脉注射 13C₃ 乳酸钠至小鼠体内，注射后 12 分钟处死，收集血清血浆, 然后取出结肠和盲肠内容物，进行液相色谱 - 质谱（LC-MS）分析（图4.b）；结果显示，在血清，血浆，结肠以及盲肠中发现 ¹³ C₃ 标记的乳酸（图4.cd）；但是没有发现丙酸，可能是由于时间过短而肠道微生物来不及代谢所致。

该实验说明了运动产生的乳酸能透过肠道屏障进入肠腔，上述的培养基质谱分析证明了 V. atypica 能将乳酸代谢成丙酸，故还需要证明肠腔的丙酸是否能增加运动表现，以便能解释小鼠灌喂 V. atypica 后运动能力得到提高的现象。

所以，作者直接将丙酸盐滴注入小鼠直肠，以模拟肠道内微生物代谢产生的丙酸，实验结果显示肠腔的丙酸确实能增强运动表现。

图 4. Serum lactate crosses the epithelial barrier into the gut lumen, and colorectal propionate instillation is sufficient to enhance treadmill run time. 

结论与讨论

1. 在两个独立的运动员队列中，肠道微生物组在锻炼后 Veillonella 丰度增加; 

2. Veillonella 甲基丙二酰辅酶 A 通路在运动后的宏基因组样本中富集; 

3. 运动后身体产生的乳酸可穿过肠道屏障进入肠腔; 

4. 在小鼠 AB/BA 交叉研究中，Veillonella 灌喂提高了运动表现;

5. 通过结肠内输注给予丙酸盐提高了运动表现。

图5. Proposed model of the microbiome–exercise interaction. Black arrows represent the well-known steps of the Cori cycle, where glucose is converted to lactate in the muscle, enters the liver via blood circulation, and is then is converted back to glucose in the liver via gluconeogenesis. Red arrows represent the steps proposed in this work. First, lactate produced in the muscle enters the intestinal lumen via the blood circulation. In the intestine, it acts as a carbon source for specific microbes, including Veillonella species. This causes the observed bloom in intestinal Veillonella, as well as the production of SCFA byproducts (predominantly propionate), which are taken up by the host via the intestinal epithelium. The presence of microbiomesourced SCFAs in the blood improves athletic performance via an unknown mechanism. Together, this creates an addendum to the Cori cycle by converting an exercise byproduct into a performance-enhancing molecule, mediated by naturally occurring members of the athlete gut microbiome.

M菌 · 笔记

① V. atypica 可以通过代谢通路把运动产生的乳酸代谢为丙酸，从而提高运动表现。

② 本文的研究逻辑：先 16S 发现关键物种，然后宏基因组发现关键通路，随后各种小鼠实验验证发现结果，验证逻辑也是比较巧妙。

参考文献

Scheiman J, Luber J M, Chavkin T A, et al. Meta-omics analysis of elite athletes identifies a performance-enhancing microbe that functions via lactate metabolism[J]. Nature Medicine, 2019: 1.

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撰稿 | Nonewood&三明治    责编 | NSC

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