粪便代谢 or 血液代谢，这是一个问题

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文献速递

作者使用 twinsUK 队列中 1,004 对双胞胎的宏基因组，和配对的 859 份血液和 419 份粪便代谢组的数据，关联比较了宏基因组的微生物物种和微生物代谢途径与血液和粪便代谢物关联关系的差异。结果显示，相比于菌群分类组成，菌群代谢途径在不相关个体之间存在广泛共享；代谢途径与 34% 的血液代谢物和 95% 的粪便代谢物有关，粪便和血液代谢物与代谢途径间的关联性比其与菌群的高 7 倍；71% 的粪便代谢物与 15% 的血液代谢物间的 “对话” 与菌群有关，涉及 12% 的物种和 67% 的代谢途径，提示肠道菌群介导粪便和全身代谢；最后详细解释了产甲烷菌与肥胖关系。

Keywords: human gut microbiome; host metabolism

Title: Interplay between the human gut microbiome and host metabolism

DOI: 10.1038/s41467-019-12476-z

Journal: Nature Communications [IF 11.878]

First Authors: Alessia Visconti, Caroline I Le Roy

Correspondence: Tim D Spector, Mario Falchi

Affiliation: Department of Twin Research & Genetic Epidemiology, King’s College London, London, UK

Published: 2019-10-03

研究背景

肠道菌群的代谢活动是保持宿主环境稳定和健康与成熟。尽管微生物群的存在是至关重要的，但其组成的变化会引起代谢变化，这可能导致宿主表型发生改变。微生物组和代谢组的联合研究被认为是评估宿主与微生物组相互作用的最有前途的方法。但是粪便代谢物-血液代谢物-肠道微生物之间的关系还有待研究。

研究结果

1微生物代谢途径在受试者之间共享

研究对 TwinsUK 研究队列的 1,054 个粪便样品进行了宏基因组测序，质控之后剩余 1,004 个样品。物种分类鉴定结果显示有 14 个门，24 个类，37 个科，74 个科，182 个属和 580 个种至少出现在一个样品中，12％ 的物种具有样本特异性。最普遍存在的物种是Subdoligranulum genus (unclassified species), Ruminococcus obeum, Ruminococcus torques 和 Faecalibacterium prausnitzii，超过 98％ 的样品中均检测到。

作者鉴定到了 434 条非冗余微生物代谢途径(MetaCyc)，这些途径在大多数样品中均检测到，12％ 的途径在所有样品中存在，只有 2％ 的具有样品特异性的。与微生物物种相比，微生物代谢途径在个体之间更广泛共存。实际上，WMGS 能鉴定出多种已知物种(多达 465 种，平均 29 种)，和大量未分类的物种，因此微生物代谢途径则更加普遍存在。还发现代谢途径普遍性与检测到的物种数量密切相关，即存在于最多物种中的途径也是高丰度的代谢途径，同时，成对比较没有关系的样品时发现平均共享 82％ 的途径，而物种中共享 43％。

图1. 肠道微生物组组成。

2微生物组和粪便代谢含量紧密相关

随后，作者使用了 PopPAnTe 分析粪便代谢组学和 WMGS 数据关联。479 位个体同一份粪便分别测了粪便代谢组和宏基因组。结果显示 713 个被注释至少存在 50 个个体的代谢物同时与肠道微生物的物种和功能相关。正如预期，肠道微生物物种及其代谢功能均与粪便代谢物含量具有广泛联系。在 FDR<5% 条件下，粪便代谢物分别与代谢途径和物种有 16,133 个和  2,493个关联，其中，99.7％ 的代谢途径与 95％ 的粪便代谢物显著相关，而 90％ 的物种与 82％ 的粪便代谢物相关。粪便代谢物与与微生物代谢途径和物种的正相关比例分别为 48％ 和 51％ 。也就是说，每个代谢物平均与 4 个物种和 24 个代谢途径相关，另外，有 145 种 (20％) 代谢物与单一物种有关，而只有 50 种 (7％) 与单一代谢途径有关。其中前 5 个主要物种与 10% 的代谢物相关，分别是

unclassified Subdoligranulum spp. (149 metabolites),

Akkermansia muciniphila (106 metabolites), 

Roseburia inulinivorans (105 metabolites), 

Methanobrevibacter smithii (96 metabolites), 

Roseburia intestinalis (92 metabolites).

前 5 个主要代谢途径与超过 53％ 的粪便代谢物相关，分别是

L-rhamnose degradation I, (226 metabolites),

Kdo transfer to lipid IVA III (Chlamydia) (218 metabolites), 

CDP diacylglycerol biosynthesis I (215 metabolites),

CDP diacylglycerol biosynthesis II (215 metabolites),

NAD biosynthesis I from aspartate (206 metabolites).

基于 PAGE 算法 (piano R package) 比较了超级代谢途径的代谢物富集方向。粪便代谢物可分为氨基酸，碳水化合物，辅因子和维生素，能量，脂质，核苷酸，肽和异生物质。结果显示，与物种相关的粪便代谢产物氨基酸减少，脂质增加；而与代谢途径相关的代谢产物脂质减少，核苷酸和碳水化合物增加。

粪便中的维生素 B 与物种和代谢途径均密切相关，核黄素 (维生素 B2)，烟酸盐 (维生素 B3)，泛酸 (维生素 B5)，吡哆醇 (维生素 B6)，生物素 (维生素 B7) 与 9–27 种物种以及 48-155 条代谢途径相关。在粪便维生素 E (α，β，γ和δ生育酚) 与物种 / 代谢途径有 16 个关联。

Metabolon 平台中检测到的 82 种药物或药物衍生代谢物至少存在 50 个匹配宏基因组学数据的样品中。

在物种水平，FDR< 5%，观察到三个代谢物存有 6 个关联。分别是

3-羟基奎宁(3-hydroxyquinine) vs unclassified Anaerotruncus spp.;

水杨酸(salicylic acid) vs M. smithii (-);

水杨酸(salicylic acid) vs unclassified Anaerotruncus spp. (-);

N-carbamylglutamate vs F. prausnitzii ;

N-carbamylglutamate vs Odoribacter splanchnicus;

N-carbamylglutamate vs Blautia hydrogenotrophica.

在代谢途径水平，FDR< 5%，观察到 101 关联。

3-(N-乙酰基-1-半胱氨酸-S-基)对乙酰氨基酚(26 associations, 对乙酰氨基酚的代谢产物)

3-羟基奎宁 (1 association),

4-乙酰氨基苯酚 (24 associations, 对乙酰氨基酚的代谢产物),

羧基布洛芬 (2 associations，来自布洛芬的代谢产物),

N-氨基甲酰谷氨酸 (8 associations),

水杨酸 (40 associations).

图 2.研究设计和相关关系的数目

3微生物组与宿主全身代谢产物相关

血液代谢组测了 859 具有 WMGS 数据的个体的样品。粪便和血液样本采集间隔时间平均为 0.9 年，其中 41％ 的样本在一周内收集，91％ 的样本在两年内收集 (图 3)。个体内的代谢物相关性分析表明，相隔最多 2 年的样品之间具有良好的相关性。也进一步观察到，代谢组学的稳定性会持续更长的时间，这与以前的文献相符，表明人类的代谢状况可以保存长达 7 年。

图3. 宏基因组学和血液代谢组学收样之间时间点差异的分布。平均差异为 0.9 年 (中位数：0.43，标准差：1.3)。

血液代谢组中注释到了 673 代谢物 (其中 369 个粪便中也检测到) 至少存在 50 个样品中。在 FDR<5% 条件下，血液代谢物与代谢途径有 2,030 个关联，与物种有 254 个关联。其中正关联的比例分别为 44％ 和 43％  (图 2)。尤其，86％ 的代谢途径与 33％ 的血液代谢物显著相关，而 34％ 的物种与 24％ 的血液代谢物相关。也总共 309 个血液代谢物 (46％) 与微生物关联。

图4. 红色条：与微生物种类显著相关的血液代谢物的数量。蓝色条：与微生物种类显著相关的粪便代谢物的数量。

与血液代谢物关联最多的物种是嗜酸乳杆菌 (Lactobacillus acidophilus (n = 30))，发酵乳杆菌 (Lactobacillus fermentum (n  = 11));

与物种关联最多的血液代谢物是丙醇二酸盐酯 (tartronate(n = 9)), 苯乙酰谷氨酰胺 (phenylacetylglutamine (n =8)) 和对甲酚硫酸盐 (p-cresol sulfate (n = 6));

平均而言，每种血液代谢物分别与 2 个物种关联 (118种物质与一种代谢物有关)；与 10 个代谢途径 (93 种途径与一种代谢物有关) 有关。

与血液代谢产物关联最多的三种微生物代谢途径是

ʟ-苯丙氨酸 (ʟ-phenylalanine biosynthesis，n=30);ʟ-丙氨酸 (ʟ-alanine biosynthesis,n=26);尿酸盐生物合成/肌苷5'-磷酸的降解途径 (urate biosynthesis/inosine 5'-phosphate degradation,n=24)。四种血液代谢物与 100 多种微生物代谢途径相关分别是 两种已知的肠道微生物衍生的代谢物：苯乙酰谷氨酰胺 (phenylacetylglutamine，n = 143) 和对-甲酚-葡萄糖醛酸 (p-cresol-glucuronide，n  = 102),一种可由真细菌酶合成的酪胺O-硫酸盐 (yramine O-sulfate，n  = 130),广泛存在于多种食品的 1,5-脱水葡萄糖醇 (1,5-anhydroglucitol (n = 129)).4代谢途径比物种与代谢物更相关

总体而言，粪便和血液代谢产物与微生物代谢途径之间的关联数目比微生物物种关联数目约多 7 倍。

观察到在大量物种中发现的途径对代谢组具有更强的影响，对每种途径有贡献的物种数量与该途径与粪便和血液代谢产物之间的关联数量之间存在显著的正相关。

本研究结果证实了肠道微生物组和粪便代谢组之间存在广泛联系，并扩展到全身代谢组。在 FDR< 5% 条件下， 360 个微生物代谢途径与 679 个粪便和 222 个血液代谢物相关；而 233 个微生物物种与 582 个粪便和 160 个血液代谢物相关。年龄和药物的摄取 (抗生素，二甲双胍和质子-质子抑制剂 (PPI)) 对微生物与代谢物的关联的影响很小。

值得注意的是，在粪便和血液中，大多数与代谢途径相关的代谢物与该途径功能无关。实际上，4,891 个粪便代谢物-代谢途径关系中，只有 999  (20%) 个关系是代谢物与途径功能有关。419 个血液代谢物-代谢途径关系中，只有 186 (44%) 个关系是代谢物与途径功能有关，分别是 155 个粪便和 42 个血液代谢物的产生或消耗途径相关。

大多数微生物代谢途径 (85％) 与一种或多种粪便和血液代谢物相关，相反，大多数 (58％) 微生物物种仅与粪便代谢产物有关。尽管如此，仍有 31％ 的物种均与粪便和血液代谢产物相关，提示这个小集合对宿主全身代谢具有重要影响。具体来说，有 4,861 对粪便血液代谢物与同一物种相关，而 108,565 对与相同的代谢途径。在这些关联中，有 152 对在粪便和血液中是完全相同的命名代谢物 (其中145个与代谢途径相关，只有 7 个与物种相关；表 1) ，而 113,274 对粪便-血液代谢对不是同一个代谢产物。

血液和粪便中均是癸二酸盐 (Sebacate) ,苏糖酸盐 (threonate) ,和对甲酚硫酸盐 (p-cresol sulfate) 与物种和代谢途径关联最多。

5微生物组介导粪便和全身代谢

作者进一步研究了粪便-血液共关联的代谢物对，以更好地了解所观察到的关联在同一物种或途径上是否随机重合，或者它们是否暗示肠道与系统性环境之间存在相互作用。作者通过模拟评估了微生物群参与粪便和血液代谢物之间对话的可能性。

评估模型前提假设，如果该物种 (或代谢途径) 参与了粪便和血液代谢物之间的对话，那么

存在该物种 (或代谢途径) 的个体中粪便和血液代谢物之间的相关性比不存在该物种或代谢途径) 的个体的相关性更高。结果表明，至少某些观察到的粪便-血液代谢物对的关联在同一物种 (或途径) 上可能不是随机重合的，因此支持了使用 P-gain 方法对粪便代谢物-血液代谢物-物种/途径三个组分的分析 (图4)。

图5. P-gain 分析过程

P-gain 分析结果显示，2％ 物种 (n=29) 参与了 36％ 的粪便代谢物与 5％ 血液代谢物之间对话；67％ 代谢途径 (n=247) 参与了 70％ 的粪便代谢物与 14％ 血液代谢物之间对话。微生物代谢途径参与的对话更加广泛。

在物种水平上，unclassified Subdoligranulum spp. 占参与代谢物对话的 49％；F. prausnitzii, R. inulinivorans, M. smithii, E. rectale, 和 A. muciniphila 加和共占 36％。相比之下，途径水平的结果并不受限定几个的途径的支配，前 6 个途径仅占观察到对话的 24％。

6产甲烷菌与肥胖相关

血液中的苏氨酸盐显示出最高的 P-gain，其与大量粪便代谢物显著共相关 (n = 61个粪便代谢物，包括粪便中苏氨酸盐)。这些关联都涉及产甲烷菌 M. smithii，它是人类肠道主要的古菌，存在于 62％ 样本中。苏糖酸盐是在氧化条件下由维生素 C 产生的。

在血液和粪便中，苏糖酸盐还与两个与甲烷生成有关的微生物途径有关：辅酶因子420 的生物合成和由H2 和 CO2 生成甲烷，在本研究样本中 M. smithii 占约 47％ (其余是 Methanosphaera stadtmanae，<1％，以及未分类物种，占53％)。虽然产甲烷菌 M. smithii 与人类健康关系尚未清楚，但已有文献报道，它的减少与肥胖相关。然后本研究观察到 M. smithii 与内脏脂肪百分比显著负相关。血液苏氨酸盐与三种肥胖测量指标即 BMI，总脂肪，内脏脂肪显著负相关。而粪便苏糖酸盐与肥胖的任何测量均无关。

另一方面，在 61 中的 31 个粪便代谢物通过 M. smithii 与血液的苏氨酸盐对话，这些代谢物与与肥胖测量指标显著相关。

结论与讨论

本研究比较了肠道微生物—粪便代谢组—血液代谢组之间的关联比较，表明了代谢途径比物种与代谢物有更多的关联，但是并非都是同功能的；相比血液代谢物，粪便代谢物与微生物关系更强；微生物参与血液代谢物与粪便代谢物之间对话。

但同时由于本研究的对象只集中在具有欧洲血统的中年妇女，有些结果并不适用于所有地域的队列。本研究还只集中横断面研究，缺少转录组数据，将来仍需扩展研究。

图6. 肠道微生物和粪便代谢物以及血液代谢物之间相互作用的潜在机制。(1) 短虚线：代谢物由微生物产生然后被人体吸收，因此微生物和血液以及粪便代谢物存在关联；(2) 长虚线：微生物影响肠道屏障完整性，导致代谢物吸收的变化 (例如：相同的代谢物与物种/血液和粪便中的代谢途径都存在关系，但是影响方向相反)；(3) 浅实线:代谢物由寄主产生，比如胆汁酸，影响微生物生长；(4) 加粗虚线：微生物与寄主细胞之间的相互关系导致寄主系统调控 (例如：物种与血液代谢物有关，但与粪便代谢物无关)。

M菌 · 笔记

本文的结果可在网站上查询：http://www.metabgut.org/

参考文献

Visconti A, Le Roy C I, Rosa F, et al. Interplay between the human gut microbiome and host metabolism[J]. bioRxiv, 2019: 561787.

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撰稿 | 三明治   责编 | NSC

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