双色球重号走势图2019:代謝組學是研究腸道微生物與健康的有力工具

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目前,人類腸道共生菌與人類健康之間的關系受到了人們的日益關注,一些研究指出糞便微生物群與人類健康可能有潛在的關聯?;蜃椴廡蚣際醯牟歡戲⒄故溝萌嗣嵌暈⑸锏姆治霰碚髟嚼叢獎憬?。無疑,基因組相關性的研究會持續下去,但代謝物信息可能從另一個層面提供直接的結構或功能性證據來證明微生物與人類內在的關系,從而幫助我們了解人類微生物群在人體健康中起到的重要作用。從這個角度來說,糞便則成為聯系微生物組及人類代謝組的極好來源,因為其主要包括內源人體代謝物,腸道菌群代謝物以及其殘留物或代謝產物。

越來越多的研究報道了人體或動物的糞便代謝組,并且這種方法已經被用于包括潰瘍性結腸炎和腸易激綜合癥,肝硬化和肝癌,慢性腎臟疾病及腸移植排斥等研究中。然而,宿主表型、宿主基因組以及腸道微生物組成對于糞便代謝組的具體影響仍然有待研究。近期,Nature Genetics一篇文章詳細評估了包括年齡、肥胖相關指標、基因位點以及腸道微生物組對不同人群糞便代謝組的影響與相關性。

這項研究對英國的由786個個體組成的雙胞胎群體(TwinsUK)的糞便進行了代謝組學檢測,并在另一個獨立的、由230人組成的人群中進行了驗證。通過每個樣本進樣4針(分別是酸性環境正極親水性物質檢測、酸性環境正極疏水性物質檢測、堿性環境負極檢測以及經過HILIC柱洗脫之后的負極檢測)的一個綜合全面的液質聯用檢測平臺,共檢測到1116個代謝物,其中866個是可鑒定的已知物質。共有570個代謝物在超過80%的樣本中都能檢測到,作為共有代謝物;而在低于20%的樣本中檢測到的代謝物不會進行后續分析(圖1,a)。而在檢測到的1116個代謝物中,469個糞便代謝物是在血液中也可以檢測到的,647個代謝物只能在糞便中檢測到,因此糞便代謝組可以和血液代謝組進行互補(圖1,b)。

 

圖1.糞便代謝組學在樣本中的檢測情況

 

首先,研究者考察了年齡與糞便代謝組的相關性。直接的相關性分析并沒有發現年齡與糞便代謝組的顯著相關性,然而,PLS-DA對TwinsUK人群共有的570個代謝物進行分析,可以將年齡最大及最小的十分之一分開(圖2,b)。其中,肌醇六磷酸(phytanate)在哪里找的和最小群體間的差異最顯著(圖2,a)。這些結果表明,糞便代謝組和年齡具有非線性的相關性。

圖2.?年齡與糞便代謝組的相關性

 

接下來研究了肥胖相關指標與糞便代謝組的關系。BMI與8個糞便代謝物呈顯著相關性,而腹部脂肪量與102個代謝物有顯著的相關性,這與之前的結論表明腸道微生物與腹部脂肪量有明顯的相關性是一致的[1],進一步證明腸道微生物代謝過程對肥胖的影響。這102個與腹部脂肪相關的代謝物中主要包括43種氨基酸及其代謝物,14種脂肪酸,8種核苷酸,6種糖類以及6種維生素。之前的研究發現一些微生物移植到小鼠體內能夠減輕體重改善代謝狀況,通過分析分析這些微生物同樣與腹部脂肪相關的糞便代謝物具有明顯的相關性,其中主要是與低水平的氨基酸相關(圖3)。

 

圖3.?肥胖相關微生物與腹部脂肪相關的糞便代謝物的關系

 

腸道微生物是可遺傳的,為了證明宿主遺傳物質是否對糞便代謝組也有影響,研究者先運用模型(structural equation modeling)評估了148對同卵雙胞胎和155對異卵雙胞胎糞便代謝物的遺傳可能性(圖4),其中脂質是具有最多遺傳可能性的代謝物種類。之后還進行了全基因組關聯分析(GWAS),發現3種代謝物(1種氨基酸,2種脂質)—3-phenylpropionate,eicosapentaenoate, 3-hydroxyhexanoate分別與3個遺傳位點顯著相關(圖5),并且代謝物比例5-acetylamino-6-amino-3-methyluracil/1,3-dimethylurate也與1個遺傳位點顯著相關。這兩個代謝物是咖啡因代謝產物,是NAT2基因編碼的N-乙酰轉移酶催化降解咖啡因而產生的。進一步在新的獨立人群中進行驗證發現,只有5-acetylamino-6-amino-3-methyluracil/1,3-dimethylurate的遺傳位點相關性可以重復。總體來說,糞便代謝組只受到宿主遺傳因素輕微的影響(heritability (H2)=17.9%)。

 

圖4.雙胞胎群體糞便代謝物的遺傳可能性

 

圖5.糞便代謝物的相關遺傳位點

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最后,糞便代謝組可以很大程度地反映腸道微生物組成,可解釋67.7% (±18.8%)的腸道微生物差異。通過對與肥胖的相關性分析,研究者證明糞便代謝組學是對基因組學和微生物組學很好的補充。

對于糞便代謝組的分析為研究腸道菌群及人類健康間的關系提供了新的切入點,同時為發現疾病生物標志提供豐富的代謝信息。而明確糞便代謝組的相關或影響因素后有助于更好地應用于相關的研究。

 

 

參考文獻:

[1] Beaumont M, Goodrich JK, Jackson MA, Yet I, Davenport ER, Vieira-Silva S, et al. Heritable components of the human fecal microbiome are associated with visceral fat. Genome Biology. 2016;17:189.

文章出處:

Zierer J, Jackson MA, Kastenm??Ller G, Mangino M, Long T, Telenti A, et al. The fecal metabolome as a functional readout of the gut microbiome. Nature Genetics. 2018:790-5.