Nature丨利用强大的代谢组学数据库揭示肠道微生物影响宿主的机制

人类肠道微生物表达多种厌氧途径，可处理各种饮食和宿主衍生的分子，产生许多以前未描述的与人类健康相关的化合物，并且具有未开发的治疗潜力。最近的几项研究表明，微生物群依赖性代谢物(MDM)会影响免疫功能、新陈代谢、心血管健康以及认知和行为。

由于难以准确监测肠道微生物产生的分子多样性，因此很难发现个体普遍存在的人类肠道微生物如何在机制上对宿主表型发挥作用。

为了弥补这一差距，最近的研究利用了高分辨率质谱的改进以及不断增长的质谱和化合物数据库。然而，由于肠道厌氧代谢与有氧生物化学之间的根本差异，以及现有数据库中厌氧微生物产物的代表性不足，微生物群的全部代谢能力仍未得到充分研究。在这里，作者提出了一个以微生物组为重点的集成质谱管道，以促进在不同样本类型中识别MDM，并将这些代谢物与微生物菌株和遗传途径相关联，该成果发表在《Nature》。

以微生物组为中心的代谢组学

为了能够对微生物组代谢进行询问，作者(1)构建了一个基于质谱的参考库来检测厌氧生物化学和一个分析管道来整合大型代谢组学数据集；(2)验证作者的方法以确保适用于更广泛的科学界；(3)启用对作者数据集的交互式公共访问。接下来，作者利用此工具为单个细菌菌株创建代谢谱参考数据集，以实现多种分析和发现模式。

作者从ATCC、DSMZ和BEI获得了178种代表130种、跨越6个门的人类肠道微生物。为了创建最具可比性的代谢数据集，作者将所有支持的菌株（178株中的158株）培养在mega培养基中。为了评估大规模代谢物的生产和消耗模式，作者对单个细菌菌株进行了分层聚类。在某些情况下，两个密切相关的物种表现出不同的代谢组学特征，并带有代谢物水平的相似性。在其他情况下，系统发育接近性伴随着代谢模式的相似性。相反，通过代谢组学特征距离对物种进行层次聚类，出乎意料的是，系统发育相距遥远的物种之间共享代谢模式。

除了大规模代谢模式外，作者还在菌株集合中发现了特定代谢物的独特高生产者或消费者。这种大规模的体外筛选使作者能够鉴定出大量高丰度、不同保守的微生物衍生代谢物，这些代谢物可以在体外和体内进行追踪。

代谢表型到基因的发现

代谢物的产生和消耗长期以来一直被用作对生物进行分组和识别的机制。在这里，作者使用在mega培养基中生长的菌株构建的综合代谢组学数据集，以及简单的机器学习（随机森林）模型来识别可以区分不同分类群的代谢物组。简单的随机森林模型可以准确地对微生物上清液的分类来源进行分类（图3a）。虽然总代谢组不能明确预测分类，但这些随机森林模型揭示了高度保守和预测分类学身份的化学特征子集。

随机森林模型选择的用于区分门的最具辨别力的特征包括氨基酸代谢的过度表达。值得注意的是，拟杆菌通过它们在大型培养基中消耗大部分谷氨酰胺和天冬酰胺来区分（图3b）。之前的研究表明，拟杆菌不能使用游离氨基酸作为唯一的氮源，但并未测试天冬酰胺和谷氨酰胺。而作者的实验结果表明，天冬酰胺或谷氨酰胺足以作为测试的60个拟杆菌类群中的50个的氮源（图3c）。为了确定利用天冬酰胺的遗传基础，作者在拟杆菌基因组中搜索了消耗天冬酰胺并释放氨的大肠杆菌酶的同源物（图3c，红色行）。作者证实这种l-天冬酰胺酶II同源物对于以天冬酰胺作为唯一氮源的生长是必需的（图3d）。这些发现证明了将菌株解析代谢组学与简单统计模型相结合的能力——在这种情况下，可以发现工业化微生物群中最丰富的菌属的氮同化的主要代谢能力。

群落和宿主的代谢组学效应

为了研究细菌群落和宿主间的代谢效应，作者将收集的体外产量最高的菌株移植到小鼠，检测是否可以重建宿主肠道和/或循环中微生物衍生代谢物的产生。与作者的体外观察结果一致，葡萄牙柠檬酸杆菌和厌氧菌属的单一定殖小鼠粪便中胍丁胺和α-酮戊二酸水平均显着增加（图4a）。此外，相比于无菌对照小鼠，单一定殖增加了宿主循环中胍丁胺的水平（图4a）。这些例子提供了体外数据集的概念验证应用，以在小鼠模型中重建特定的微生物衍生代谢，从而实现与宿主生理学相关的潜在机制研究，且证明分类群特异性代谢物可以作为微生物组组成方面的生物标志物。

为了更好地了解肠道中依赖微生物的代谢物是否以及如何影响宿主中的循环代谢物，作者检查了宿主中的C.sporogenes和B.thetaiotaomicron对肠道和全身代谢的作用。作者测量了不同定植状态下四种样品类型（粪便、盲肠内容物、血清和尿液）的代谢物谱（图4b）。为了确定宿主循环中特定代谢物的增加或减少是否需要C.sporogenes在肠道中存在，作者省略了原始具有六个成员群落中的C.sporogenes。与无菌对照小鼠相比，实验组小鼠的血清、尿液或盲肠内容物中显示的代谢物显著增加或减少至少四倍（图4c）。相比之下，缺乏C.sporogenes的群落中终止了血清或尿液中这些代谢物的产生或恢复了这些代谢物的消耗，这表明C.sporogenes在肠道中的存在对于调节宿主循环中这些代谢物的水平是必要的（图4c），并说明微生物组编辑改变宿主血液中循环的MDM的潜力。

Fig. 4 Metabolic contribution by inpidual gut microorganisms in a multi-species community.

总 结

作者构建了一个以微生物群为中心的集成质谱管道，以促进对不同样本类型中微生物群落依赖性代谢物的鉴定。作者使用含833种代谢物数据库报告了178种肠道微生物菌株的代谢谱。使用这种代谢组学资源，作者建立了系统发育和代谢之间关系的偏差，使用机器学习发现了拟杆菌中以前未描述的代谢类型，并使用比较基因组学揭示候选生化途径。微生物群落依赖的代谢物可以在来自无菌和常规定植小鼠的不同生物体液中检测到，并追溯到培养细菌的相应代谢组学特征。总的来说，作者以微生物组为重点的代谢组学管道和交互式代谢组学概况探测器是表征微生物以及微生物与其宿主之间相互作用的强大工具。