本文轉自宏基因組，侵刪
腸道微生物在人類代謝健康與疾病中的作用
Gut microbiota in human metabolic health and disease
Nature Reviews Microbiology [IF: 34.648]
DOI：https://doi.org/10.1038/s41579-020-0433-9
發表日期：2020-09-04
作者單位：Novo Nordisk基礎代謝研究中心，哥本哈根大學，丹麥哥本哈根（Novo Nordisk Center for Basic Metabolic Research, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark）
Box 1 Tools for dissecting gut microbiota–metabolic health associations
微生物組間關聯研究方法在很大程度上類似于全基因組關聯研究，在與表型（通常是疾病狀態）相關的病例對照研究中識別遺傳變異。在微生物組間關聯研究中，對從腸道或糞便樣本中純化出來的微生物DNA進行基于鳥槍法測序，將鑒定和組裝的基因進行整合，以構建交叉采樣的非冗余微生物基因集。通過對單個樣品中匹配序列進行計數，可以確定每個基因的豐度。應用各種生物信息學算法和相關系數，將微生物組數據中的組裝基因聚類到特定的組，例如宏基因組連鎖組，宏基因組物種，共豐度基因組或宏基因組物種全基因組。然后提取單個樣品分別比對到上述組里及其重疊群的序列，隨后組裝成高質量的基因組草圖，每個基因組均已定義，作為一個物種或一組高度相關的物種。
最近，在腸道微生物群中定義菌株水平的特征也成為可能。這些工具包括基于對已測序的微生物菌株的核心基因組應用單核苷酸變異分析的StrainPhlan、基于物種特異性高變位點的MetaMLst和基于泛基因組分析的MetaPanPhlan。然而，這些方法過度依賴于參考基因組的覆蓋率和質量。菌株水平分析的結果仍然需要通過獲得含有目標細菌的純培養物進行驗證。此外，與健康或疾病狀態的關聯可以通過單個微生物基因、分類群或微生物功能潛力模塊來表征。諸如監督式機器學習或隨機森林之類的分類器可用于將每個樣本分配給某個類別。
腸道細菌可以產生各種生物活性代謝產物，這些代謝產物可以通過吸收進入腸肝循環而進入宿主的血液。與疾病表型相關的特定代謝物可以通過基于糞便、血漿、尿液或其他生物體液的質譜或核磁共振代謝組學進行鑒定，從而能夠對微生物組、代謝組和宿主表型進行聯合分析，以確定潛在的機制聯系。該分析流程至少包括四個步驟：首先，如上所述，基于與具有已知功能特征的蛋白質的序列相似性，可以通過將基因序列比對到KEGG的基因和基因組功能模塊中來構建其功能潛力的微生物基因。第二步是對顯示共豐度的代謝物進行聚類，對代謝組學數據進行降維處理，因為代謝物通常由共同的途徑形成，這些途徑可以由前體基因調節。基于基因表達分析的加權基因共表達網絡分析，可以對共豐度代謝產物進行聚類。下一步是對相關的基因簇和代謝物進行非參數統計檢驗。最后，由一個或多個物種的相互作用來評估一個或多個物種之間的相互關系。這些特定代謝物與流行基因簇之間的相關性分析可能會便于鑒定出特定物種，這些物種具有產生疾病相關代謝物前體所需的基因，該疾病相關代謝物由腸道菌群或由宿主和腸道菌群共同產生。
Box 2: A framework to study causality of gut microbial components
補充圖1a
為了從微生物組-疾病的關聯發展到研究特定疾病中微生物組的功能，需要進行額外的實驗來探索微生物組分與目標疾病之間的潛在因果關系。使用鳥槍法測序和非靶向（全局但半定量的）代謝組學分析方法分析受影響和對照個體的生物樣本，以確定不同生物流體中存在豐度差異的微生物特征或分子（見圖a部分）。在非靶代謝組學研究中，分析物的特征基于其保留時間和其質荷比（m/z值）。通過核磁共振波譜或將碎片行為和保留時間與合成參考標準相匹配，可以明確新化合物的鑒定。
補充圖1c
人類腸道微生物組群數據和微生物衍生化合物可用于選擇候選BGC、微生物物種或與特定化合物產生相關的微生物群落（見圖c部分）。降維是通過將編碼次生代謝物途徑的生物合成酶的基因聚集在一起，結合基因的豐度相似性，以及聚集在特定生態環境中的共出現的微生物來實現的。可以以比較有針對性的方式分析具有參考BGC，微生物物種或微生物群落的無菌小鼠的表型特征，以檢查目標化合物的豐度變化。
補充圖1d
為了確定微生物衍生化合物可能參與的下游信號通路，可以構建轉基因小鼠模型來觀察由于失去活性的下游效應而引起的微生物來源化合物的變化（見圖d部分）。
知識點3：微生物-改變干預措施
Box 3: Microbiota-changing interventions
補充圖2
由于從流行病學和實驗研究中獲得的關于腸道微生物群對代謝健康影響的知識呈指數級增長，人們對腸道微生物群受損人群中的靶向和非靶向干預措施產生了興趣（見上圖）。
在嚙齒動物中，飼喂各種營養成分會改變腸道微生物組和新陳代謝。特別是高飽和脂肪喂養會導致內毒素血癥和胰島素抵抗。有關膳食脂肪對人體腸道微生物影響的研究顯示，高飽和或單不飽和脂肪的飲食對微生物群有負面影響，而多不飽和脂肪的飲食似乎是中性的。同樣，高多糖飲食干預導致腸道微生物群改變，與短鏈脂肪酸的糞便，血清或尿液濃度增加，體重減輕以及細胞因子和代謝組的改善有關。此外，增加體育鍛煉的干預措施已顯示出腸道微生物組的適應性變化，在某些情況下，可以增強乳酸、支鏈氨基酸的分解能力，增加合成短鏈脂肪酸和改善心肺適應度和胰島素敏感性的潛力。
益生菌、益生元或微生物益生素干預
目前尚不清楚異種糞便微生物群移植是否會成為預防或治療代謝失衡的一種選擇。挑戰包括缺乏關于飲食對糞便移植物定殖和存活的重要性、供體糞便的最佳厭氧處理、供者和受體之間的免疫相容性、以及噬菌體和真菌在糞便微生物群移植成功中的作用的相關知識。同時，有必要檢查在代謝性疾病（即兒童或青少年時期的糞便樣本生物庫）發生前儲存的復雜性較低的自體糞便微生物菌群移植的可行性和功效。
生物工程藥物靶向干預腸道微生物
目前尚不確定衛生和藥物管理局或消費者是否可接受將攜帶微生物基因的轉基因生物帶入人體腸道。通過提供定制藥物靶向特定的微生物合成代謝產物是優化代謝的另一個新興潛在領域。由于大多數噬菌體和古細菌病毒分別對細菌和古細菌菌株具有特異性，因此它們可能會在未來的實驗中應用于代謝紊亂患者中針對微生物組的營養不良部分。同樣，目前尚不清楚是否可以將CRISPR-Cas用于編輯和重置人類腸道微生物組的營養不良部分而不會對宿主造成不良影響。
代謝健康的微生物群和營養不良之間的平衡至關重要。體內平衡是由多種因素維持的，如宿主基因、飲食、每日排便次數、體力活動、吸煙和藥物使用。
Fig. 1 impact of diet on gut microbiota and host metabolism.
一個代謝健康的微生物群（主要通過高纖維、低動物脂肪和低動物蛋白飲食實現）被闡明（圖a）。這些不易消化但可發酵的多糖被腸道微生物群代謝，并被發酵產生一系列化合物，并刺激腸黏液層和強大的屏障功能。微生物產生短鏈脂肪酸（SCFAs）為結腸細胞提供了額外的能量來源，并導致管腔pH值降低。SCFAs醋酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽可與腸內分泌L細胞上表達的G蛋白偶聯受體（GPCR）-41和GPCR-43結合，隨后誘導胰高血糖素樣肽1（GLP-1）和肽YY（PYY）的分泌，從而增加能量消耗，減少食物攝入，改善葡萄糖代謝和胰島素分泌。丁酸鹽是過氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）的激活劑，也是腸道β-氧化和耗氧量的刺激劑，維持腸腔的厭氧環境。
高動物脂肪和蛋白質飲食、久坐不動的生活、吸煙、飲酒和相對不經常排便引起的微生物營養不良可能導致粘膜滲漏，腸道和全身炎癥以及SCFA的產生減少，從而導致L細胞分泌的腸道激素減少。在發酵過程中，復合蛋白首先被各種細菌肽酶，蛋白酶和內肽酶裂解，釋放出游離氨基酸和短肽，然后進行發酵。由于蛋白質發酵的增加，會產生支鏈脂肪酸（BCFA；2-甲基丁酸，異丁酸和異戊酸）、三甲胺、有機酸、氣體（H2S，H2和CO2）和微量的酚、胺、吲哚和氨，從而導致管腔pH值增加。總體而言，微生物環境和代謝物的此類變化會導致病原體相關分子模式（PAMP）泄漏，包括在血液中增加的脂多糖（LPS），并引發全身性低度炎癥和胰島素抵抗。
Fig. 2 Some of the reported intestinal microbial taxonomic and functional features linked to common metabolic disorders.
上圖總結了多項涉及代謝疾病的紊亂細菌種類和功能特征。但是請注意，研究之間的結果有所不同。宏基因組學研究的關聯結果已被總結。除其在代謝疾病中的指導外，還列出了選定的微生物分類學特征。該列表并不全面涵蓋所有已更改的分類學或功能特征，但代表了整個研究中觀察到的常見模式。
大量的報告表明，腸道微生物組分類和功能潛能的破壞與許多病理表型有關。大多數對人類和動物的研究都是觀察性的，缺乏實驗數據。然而，正如人類腸道微生物群的基因庫所揭示的那樣，數萬億的共生菌是一個巨大的化學工廠，可以合成許多自身生存和與宿主生存所需的化合物。
Fig. 3 Microbial messengers regulate host metabolism.
該圖中，研究人員對一些能影響宿主能量穩態、肥胖、炎癥、血糖調節，胰島素敏感性和激素分泌的腸道微生物化合物進行了總結。腸道的厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)發酵膳食纖維會產生丁酸、丙酸和乙酸這些短鏈脂肪酸（SCFA），它們通過作用于腸內分泌細胞表達的G蛋白偶聯受體（GPCR）以多種方式影響宿主代謝。乙酸和丁酸刺激胰高血糖素樣肽1（GLP-1）和肽YY（PYY）釋放，并影響胰腺（GLP-1誘導的胰島素生物合成）和大腦（PYY引起的飽腹感），而乙酸可以通過誘導生長素釋放肽的分泌來增強脂肪儲存。微生物衍生的琥珀酸驅動解偶聯蛋白1（UCP1）的表達，從而增加脂肪組織中的生熱作用。但是，琥珀酸對脂多糖激活的巨噬細胞具有促炎作用，因此可能有助于脂肪組織炎癥和胰島素抵抗。脂多糖（LPS）是源自革蘭氏陰性細菌膜的促炎化合物，可促進炎癥。一級膽汁酸被腸道菌群轉化為二級膽汁酸，二級膽汁酸通過TGR5受體發揮作用，促進GLP-1的釋放，增強脂肪組織的生熱作用。腸道菌群通過代謝膳食磷脂酰膽堿和左旋肉堿產生三甲胺（TMA）。TMA在肝臟中被含有黃素的單加氧酶（FMO）氧化為三甲胺N-氧化物（TMAO），從而導致動脈粥樣硬化。咪唑丙酸（Imidazole propionate）是一種由組氨酸衍生的細菌代謝產物，可導致胰島素抵抗。
在高脂飲食的狀態下，腸道細菌衍生的支鏈氨基酸（BCAA）與人類和嚙齒動物的胰島素抵抗相關。其他細菌代謝物（例如吲哚及其衍生物）與芳烴受體（AhR）結合。吲哚丙酸與改善的胰島素分泌和胰島素敏感性以及降低的2型糖尿病風險有關。腸細菌產生N-酰基酰胺，這是一種內源性大麻素模擬物，通過與G蛋白偶聯受體119（GPR119）結合來調節宿主的葡萄糖代謝。腸道細菌分泌的蛋白質也會調節旁分泌或內分泌作用。ClpB是大腸桿菌分泌的一種蛋白質，參與食欲的調節。大腸桿菌的黑皮質素樣肽（MECO-1）是刺激黑色素細胞和激素的結構和功能類似物，通過哺乳動物的黑皮質素-1受體（MC1R）發揮作用，抑制細胞因子釋放以響應促炎刺激反應。在腸道中，促炎性變化涉及增加細胞因子（例如IL-1β和IL-18）的產生，以及減少IL-10和IL-22。表達于Akkermansia muciniphila外膜上的Amuc_1100通過Toll樣受體2（TLR2）增強了杯狀細胞密度，改善了腸屏障功能，部分概括了活的A. muciniphila細菌對能量代謝和胰島素敏感性的有益作用。宿主代謝還受到腸道細菌合成的神經遞質（即兒茶酚胺、組胺、γ-氨基丁酸和5-羥色胺）或氣態神經遞質（NO和H2S）的影響。
腸道微生物群的復雜性令人望而生畏。未來，基于測序和培養的腸道微生物檢測，結合腸道菌群、古菌群、噬菌體組、病毒組和分枝菌群的機理研究，將以指數級的提升我們對腸道微生物群落相互作用的認識。此外，重要的是，腸道微生物組產生影響宿主生理學和多種病理學的多種化學物質，有關這些化學物質的新知識可能會為我們開辟出新的有效代謝性疾病的干預途徑，為穩定全人類的代謝健康，預防或對抗常見的人類代謝疾病，提供更多的治療依據。
Yong Fan & Oluf Pedersen. (2020). Gut microbiota in human metabolic health and disease. Nature Reviews Microbiology, doi: https://doi.org/10.1038/s41579-020-0433-9
