编译：胜寒，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
所有的后生动物和它们的微生物群落之间都存在交叉门的化学相互作用。由微生物组产生的许多分子家族对健康与疾病之间的平衡有显著影响。考虑到人类微生物群落的多样性(有超过40000个实用分类单元)，微生物群落对整个动物化学的影响仍未得到充分的研究。在本文中，作者使用质谱信息学和数据可视化方法，通过比较来自无菌和无特定病原体小鼠的代谢组学数据，来评估微生物组对整个哺乳动物化学的影响。研究发现微生物群会影响所有器官的化学成分。包括宿主胆汁酸的氨基酸结合物，这些胆汁酸被用来生产苯丙氨酸、酪氨酸和亮氨酸，尽管之前对胆汁酸结合物进行了广泛的研究，但这些氨基酸结合物还没有被鉴定出来。这些胆汁酸结合物也在人类中出现，并在炎症性肠病或囊性纤维化患者中富集。这些化合物在体外激活法尼醇X受体，用这些化合物灌胃的小鼠体内胆酸合成基因的表达降低。还需要进一步的研究来确定这些化合物是否在宿主中具有生理作用，以及它们是否有助于与微生物群落失调相关的肠道疾病。
原名：Global chemical effects of the microbiome include new bile-acid conjugations
译名：微生物群的整体化学效应，包括产生新的胆汁酸结合物
期刊：Nature
IF：43.07
发表时间：2020.2
通讯作者：Pieter C. Dorrestein
通讯作者单位：美国加州大学圣地亚哥分校斯卡格斯药学院和药学科学学院
通过液相色谱-串联质谱(LC MS/MS)和16S rRNA基因测序，作者总共分析了来自29个不同器官96个采样点的768个样品，样本来自4个无菌小鼠和4个定殖小鼠。比较来自无菌和特定无致病性(SPF)小鼠的代谢组学数据，来评估微生物组对整个哺乳动物化学的影响。将来自SPF小鼠的每个样本的第一个主坐标位置映射到三维(3D)小鼠模型，通过所有器官和器官系统可视化微生物组和代谢组的相似性(图1a, b)。消化道不同部位有独特的微生物组和代谢组学特征。在小鼠粪便样本中，两种数据类型的相似性存在明显差异。粪便样本与远端胃肠道之间的代谢组差异较大，而粪便与结肠或盲肠之间的微生物组差异较大。
小鼠数据的分子网络
为了表征微生物群落的化学效应，作者将质谱数据置于分子网络中。该算法鉴定了7,913个光谱，其中14.7个2.2%的光谱在定殖小鼠中被观察到，10.0个0.7%的光谱只在无菌小鼠中被观察到(图1c)。虽然总体概况显示无菌和SPF小鼠之间最大的差异是在胃肠道，但分子网络确定了所有器官中微生物组的独特化学特征，范围从膀胱的2%到大便的44%(图1b)。盲肠是食品微生物发酵的主要场所，其代谢受微生物群的影响最为显著。许多归因于微生物组的变化是位置特异性的，是由来自食物的植物天然产物和胆汁酸的代谢造成的(图1c）。无菌小鼠上消化道的Shannon多样性与SPF小鼠的一致;在两组小鼠中，食道的多样性较低，胃和十二指肠的多样性较高。然而，转入盲肠后，两组小鼠的多样性开始分离(图1d)。定殖小鼠的盲肠和结肠的分子多样性高于无菌小鼠，但粪便样本的分子多样性则不同(图1d)。在十二指肠(胆囊向肠道补充胆汁的位置)，微生物组和代谢组多样性存在差异:高代谢组多样性对应于低微生物多样性(图1d)。分子网络能够帮助无菌和SPF小鼠胃肠道建立meta-mass-shift chemical profiling。在被定植的小鼠中，十二指肠和空肠有失水的迹象，而在胃肠道的后期，H2、乙酰基和甲基也会丢失(图1e)。在所有的H2转移中，23.1%与胆汁酸相关，这表明定殖导致胆汁酸的氧化。去乙酰化在被定殖的小鼠中也很普遍，尽管这个过程的代谢物仍不清楚。无菌小鼠的mass gains与胃肠道所有区域的糖类相关(图1e)；mass gains主要与植物天然产物有关，如大豆皂苷和黄酮类化合物。SPF小鼠缺乏这些糖意味着它们的新陈代谢中存在微生物群。在SPF小鼠空肠和回肠中检测到一个独特的C4H8的mass gain(图1e)，该mass gain的18.2%的光谱来自于与结合胆汁酸甘氨胆酸(GCA)相关的未知分子(图2a)。总的来说，无菌小鼠和SPF小鼠相关分子间的mass losses频繁且多样，但在定殖小鼠中获得的分子较少(图1e)。这说明微生物组对分子分解代谢的贡献较大，对合成代谢的贡献较小。作何发现在GCA中添加C4H8是一种特别有趣的合成代谢反应，该反应依赖于肠道微生物群，作者试图对此进行进一步的研究。
新微生物胆汁酸结合物的发现
在无菌和SPF小鼠中均检测到甘氨酸和牛磺酸结合的胆汁酸。在SPF小鼠中，甘氨酸和牛磺酸氨基酸通过胃肠道时被去除，这是一种已知的微生物转化(图1b)。结合胆汁酸的分子网络中有几种只有在定殖小鼠中才存在的化合物修饰形式，包括与GCA串联质谱相关的C4H8的添加(图2a)。肝合成的甘氨酸和牛磺酸缀合物不仅在肠道位置存在，而且在胆囊和肝脏也被发现(图2b)。
这些独特的胆汁酸结合物在下消化道的丰度降低，促使作者研究回肠是否有再吸收或进一步的微生物群代谢。作者收集了另外4只SPF和6只无菌小鼠的门脉和外周血，进一步检测合胆汁酸的存在。牛磺胆酸和谷胱甘肽均存在于定殖小鼠和无菌小鼠的门脉和外周血中，但未检测到新鉴定的氨基酸结合物。此外，这些分子与活跃生长的人类粪便分批培养培养表明，Tyr-、Phe-和leu-结合的胆汁酸没有被微生物群清除，即使在宿主合成的GCA对照中，解离也很容易发生（一种众所周知的由人体微生物群介导的胆汁酸的酰胺化水解酶活性）。然而，这三个新发现的结合物都发生了胆酸盐的氧化，这表明即使在未观察到氧化的GCA的情况下，它们也能被微生物酶修饰。在有关胆汁酸的广泛文献中，关于胆汁酸不寻常结合的描述是罕见的。通过170年对胆汁酸化学的研究，公认的标准是，哺乳动物的胆汁酸是由宿主肝脏酶(称为胆汁酸辅酶A:amino acid N-acyltransferase (BAAT))与甘氨酸或牛磺酸结合形成的酰胺。该研究中，作者发现了小鼠中与苯丙氨酸，酪氨酸和亮氨酸结合的微生物群落，而且这些化合物在人类中很常见。
转化
作者使用了质谱搜索工具(MASST)对来自GNPS数据库的1004公开数据进行了搜索，在28项研究中，发现了与Phe-chol（phenylalanocholic acid）, Tyr-chol（tyrosocholic acid）and Leu-chol（leucocholic acid）相对应的光谱，这些研究包括来自小鼠(占全部样本的3.2 - 59.4%)和人类(占全部样本的1.6 - 25.3%)的胃肠道样本。在为美国肠道项目收集的粪便样本数据中，1.6%的人类粪便样本中至少发现了一种这种独特的胆汁酸。Tyr-chol 是最普遍的(n = 490个样本)(图3a)。这些胆汁酸在炎症性肠病或囊性纤维化患者或婴儿的样本中发现的频率高于美国肠道项目的样本(图3a)。囊性纤维化的结果是胰腺脂肪酶的生产不足，微生物的失调和脂肪的积累在肠道。重新分析一组儿科患者的公开数据，作者发现这些化合物在囊性纤维化患者(特别是胰腺功能不全患者)中比在健康对照组中更普遍(图3a)。
最后，通过检测炎症性肠病患者中新发现的结合物，作者从人类微生物组项目(HMP2)的第二阶段挖掘了代谢组数据，其中重点研究了对照组与炎症性肠病患者之间的差异，包括克罗恩病或炎症性肠病的溃疡性结肠炎亚型(图3b)。这三种代谢物在与克罗恩病相关的非生物状态下均显著升高，而在溃疡性结肠炎患者中则无显著升高(图3b)。作者基于质谱搜索工具(MASST)从GNPS数据库挖掘的公共数据表明这些化合物不仅存在于健康人体内，也存在于脂肪性肠病和炎症性肠病患者体内，这表明这些化合物可能在肠道菌群失调和人类疾病中发挥潜在作用。
微生物产生新的胆汁酸
当小鼠被喂食高脂肪食物时，Clostridium的存在与所有三种胆汁酸之间存在很强的正相关关系。众所周知，Clostridium可氧化、异构化和清除胆汁酸。因此，作者在含有氨基酸和胆汁酸前体的粪便培养基中培养了20种人肠道微生物(重点是Clostridium)，以筛选新发现的结合物。Bolteae Clostridium杆菌菌株WAL-14578和CC43001B均同时合成了Phe-chol和Tyr-chol。在培养基中添加标记为13C -苯丙氨酸证实了WAL-1457可以将氨基酸和胆汁酸前体合成Phe-chol。同样，作者用含有13C -苯丙氨酸的高脂肪饮食喂养老鼠，并在老鼠的粪便中检测到标记的Phe-chol，这证明了体内微生物的合成，并表明氨基酸前体可能来自这种饮食(图3d)。C. bolteae是一种耐胆汁的肠道细菌，在患有自闭症障碍的儿童中更为常见，与腹部感染有关，与产布氏菌一起阻止了小鼠体内耐万古霉素肠球菌的定殖。这些胆汁酸的产生进一步证实了它们与小鼠肠道菌群的联系，并暗示它们可能对肠道菌群间的相互作用具有重要意义。然而，将新发现的结合物添加到批量培养的人类粪便样本中并不影响群落结构，使得作者进可以一步研究这些化合物如何通过宿主受体信号影响肠道生理。
新的胆汁酸和法尼醇X受体
法尼醇X受体(FXR)是胆汁酸的关键受体，胆汁酸在肠、肝和其他组织中表达。FXR的激动配体是鹅去氧胆酸,而tauro-β-muricholic酸是FXR的一个拮抗剂。为了评估新发现的胆汁酸影响人类FXR信号的能力，作者在人类胚胎肾(HEK)293细胞中建立了荧光素酶报告基因实验。Phe-chol和Tyr-chol是人类FXR的强烈激动剂。苯丙氨酸结合物的强度是去氧胆酸的两倍，此外，灌胃这些化合物可以增加小鼠肠道中FXR效应基因Fgf15和Shp的表达(图3e)。尽管灌胃后24小时Shp在肝脏中的表达没有明显变化，但72小时后其水平增加了2.3倍(P = 0.017)(图3e)。胆汁酸合成基因Cyp7a1和Cyp8b1表达的变化也表现出时间依赖性。24小时Cyp7a1为对照组水平的9%,Cyp8b1为69%。72h(灌胃4次后)，Cyp7a1的表达水平为对照组的8% ，Cyp8b1的转录水平进一步降低至2% (图3e)。Cyp7a1和Cyp8b1转录本的强时间依赖性降低表明，与用新发现的化合物灌胃小鼠胆汁酸类似，下游负责肝脏中胆汁酸合成的FXR靶基因的表达降低。然而，不能排除这种效应是由于FXR通过从酰胺结合水解中释放胆酸盐的激动作用。微生物组影响胆汁酸的代谢首次被发现于20世纪60年代。已知的四种微生物代谢机制是:胆固醇的脱羟基化、脱水和异构化，以及甘氨酸或牛磺酸的清除。在此，作者确定了胆汁酸的转化是由微生物组介导的，它是第五种完全不同的机制。虽然在梭均属基因组中有人类胆汁酸结合基因BAAT的同源物，但所讨论的微生物酶仍是未知的。不管它们的合成机制如何，新发现的结合物在细胞系统中刺激人类FXR受体，当给小鼠使用时，负责肝脏中胆汁酸生成的FXR靶基因的表达减少。未来还需要进行更多的研究来了解人类微生物组对胆汁酸新的结合对健康及其对FXR相关疾病的潜在影响。
这项研究表明，所有器官系统的化学成分都受到微生物组的影响。最强的信号来自肠道，特别是通过食物中植物天然产物的分解和胆汁酸的控制。微生物群落主要是一种分解代谢实体，通过酶法去除化学基团来分解化合物。然而，作者发现了一种合成代谢反应，它代表了微生物组的第五种胆汁酸代谢机制，该机制通过胆汁酸独特的氨基酸结合来运作。随着人类和微生物共生体之间的联系变得越来越紧密,全球没有针对性的组合方法和开发工具，如果将这些数据集(如GNPS和MASST分析)连接起来，将能够更有效地表征微生物分子，并在模式动物和人类研究之间进行高效的转换，从而更好地理解人类的微生物群、代谢物和健康之间的深层联系。
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