案例分享

大鼠-肠道微生物共代谢研究

发布日期:2019.01.02 浏览次数(246)

今天,小编要为大家分享一篇经典的代谢组学文献,这一篇文献的作者从代谢组学的视角对肠道微生物与哺乳动物的关系进行了解读。

代谢组学-脂质-代谢流-靶向定量


在人体的皮肤、肠道、口腔等部位定殖了大量有益于身心健康的微生物,人体内最复杂的微生物定殖环境当属肠道,据估计大约有150克的微生物定殖于肠道。对这些微生物群落DNA进行高通量测序,鉴定群体中所有功能基因的种类和丰度的科学称作狭义的宏基因组学。而广义的宏基因组学泛指研究微生物群体组成、功能基因、代谢产物的学科。这些研究的核心是这些微生物群落的功能。人类的肠道微生物通过微生物 - 宿主共代谢作用和信号传导作用发挥多种有用的功能。肠道微生物利用人体内未被用于产能的物质生成具有重要生物功能的代谢物,如短链脂肪酸(SCFAs)、生物素和维生素 K等,以发挥刺激细胞生长、抑制有害微生物、抵御疾病的作用。肠道的有益菌群还可以调节宿主的营养物质代谢、药物代谢。早在1930, 美国宾夕法尼亚大学的皮肤学家 StokesPillsbury就提出了肠--皮肤统一理论 (gut-brain-skin unifying theory),他认为肠道微生物, 大脑和皮肤之间存在密切联系。到二十世纪80年代,越来越多的研究者将肠道、大脑和皮肤之间的关系用肠--皮轴(gut-brain-skin axis)来表示,认为肠道微生物可以影响系统性炎症、氧化应激、血糖控制、组织脂质含量, 甚至宿主的情绪等,并可以影响皮肤疾病。 而小编今天分享的这一篇文献的作者,依据此理论,反其道而行之,提出了一种通过改变肠道微生物组来调节哺乳动物代谢失调、逆转病理状态、治疗疾病的策略。使用这种策略,通过改变肠道微生物的种类和各种群的比例,可以治疗代谢紊乱、胃肠(GI)道病症、神经障碍等。

下面,小编就为大家详细地分享这一篇经典代谢组学文献。作者认为运用代谢组学方法分析肠道的代谢物,可监测肠道微生物的变化。通过检测和分析尿液样品、粪便样品的代谢谱可推测肠道内微生物的状况。因此,需要绘制在不同条件下微生物 - 哺乳动物共代谢产生代谢物的完整代谢物谱。这些代谢谱还可以提高我们对肠道微生物功能、种类、功能宏基因组的理解,更好的理解肠道与微生物相互作用的分子机制。而在这一篇文献中,作者采用广谱抗生素亚胺硫霉素处理作为哺乳动物实验模型的Wistar大鼠,获得了Wistar大鼠在肠道近乎没有微生物条件下的代谢信息,作者还描绘出Wistar大鼠在肠道没有微生物时的代谢谱,将其作为表征肠道代谢物与肠道微生物关系的重要基准信息。

 

实验设计

我们来看一下这个实验是如何设计的。在无特定病原体(SPF)环境中,为Wistar大鼠注射β-内酰胺类广谱抗生素:亚胺硫霉素(又称亚胺培南、西拉司丁钠) 使Wistar大鼠胃肠道暴露在广谱抗生素环境中,摄入的剂量是每天50mg / kg大鼠体重,持续4天。之后停止摄入,恢复14天。此研究收集了在Wistar大鼠摄入亚胺硫霉素的第0天(给药前),第1-4-即抗生素摄入期间,以及恢复期的第581218天的尿液和粪便样品,采用基于非靶向质谱的气相色谱-质谱(GCMS)、和液相色谱-质谱(LCMS)技术分析了Wistar大鼠的尿液、粪便等代谢物,并绘制了代谢谱数据图表。

实验结果与讨论

抗生素干预对Wistar大鼠代谢产生了影响。

代谢组学-脂质-代谢流-靶向定量


1.代谢数据轨迹图和偏最小二乘分析(PLS-DA)得分图,显示了代谢组的改变。

1和图2中的代谢数据轨迹图、偏最小二乘(PLS-DA)得分图、热图描绘了Wistar大鼠摄入抗生素后总体的代谢变化和肠道菌群动态变化Wistar大鼠尿液和粪便样品代谢组轨迹显示了在为期19天的实验中抗生素摄入组大鼠代谢数据的动态变化。从第0天(抗生素摄入前1天)到第1代谢轨迹开始发生显著变化,从第1天到第5天继续漂移,在第5天停止摄入抗生素后,代谢轨迹开始逐渐回调,在实验第18天恢复到接近对照组的稳定模式。偏最小二乘(PLS-DA)得分图数据分析印证了以上的结论。这也可以通过尿和粪便代谢物的热图来证明,2Figure 2)显示:从第8到开始到第18天,大鼠的代谢波动逐渐减弱,直至最后回归到抗生素摄入期前。以上的结果表明:经过连续4天摄入抗生素后,大鼠能在2周内恢复肠道微生物生态平衡。

代谢组学-脂质-代谢流-靶向定量

2.表征肠道微生物与哺乳动物共代谢特征的尿液和粪便样品代谢物数据热图。 热图显示了由于Wistar大鼠摄入抗生素导致的尿液样品(左)和粪便样品(右)中代谢物含量随时间而变化(红色=浓度增加,蓝色=浓度降低)。 热图中的每个单元格代表特定代谢物的倍数变化。

抗生素干扰所造成Wistar大鼠代谢类型改变。

作者还通过进一步代谢表型分析,找到Wistar大鼠摄入β-内酰胺类广谱抗生素后尿液和粪便样品中的差异代谢物,共鉴定出202个尿液样品差异代谢物和223个粪便样品差异代谢物。其中,如寡肽和碳水化合物是之前没报道的差异代谢物,这些差异与功能性肠道微生物显著相关。差异代谢物中包含许多芳香物质如:苯和含吲哚结构的物质。这些物质的浓度在尿液和粪便样品有具有大的倍数变化。Wistar大鼠在摄入抗生素后,尿液和粪便样品中含苯环结构的差异代谢物包括:对羟基苯乙酸,间 - 苯基乙酸,羟基肉桂酸,苯基戊酸和对氨基苯甲酸;吲哚类差异代谢物包括:硫酸吲哚酯、吲哚乙酸、吲哚羧酸、吲哚乙醛,它们的浓度都降低。与对照组相比,Wistar大鼠在摄入抗生素的第1天至第5天尿液中的尿酸水平显著降低。Wistar大鼠在摄入抗生素后,尿液和粪便样品中短链脂肪酸(SCFAs)含量降低,并且粪便样品中的短链脂肪酸下调程度比尿液样品中下调程度更大。几种寡肽尤其是二肽和三肽在尿液样品中显著增加。尿嘧啶在尿液和粪便样品中均显著减少。由于粪便样品的代谢特征直接反映了由于抗生素摄入引起的微生物组成变化,因此从检测到的变量(改变的代谢物)的数量和统计显着性来看,抗生素干预对粪便代谢物的影响程度大于对尿液代谢的影响。

抗生素干扰所造成了与肠道微生物相关的代谢物分布的改变。

代谢组学-脂质-代谢流-靶向定量


3. Wistar大鼠摄入抗生素后,其尿液和粪便样品中发生改变代谢物的类别。

3Figure 3)中的两个饼图显示Wistar大鼠摄入抗生素后,其尿液和粪便样品中哪些类别的代谢物发生改变。而图4 Figure 4)则显示Wistar大鼠在摄入抗生素后,粪便样品中色氨酸和色胺在浓度增加,尿液样品中甲基色胺和5-羟色胺含量增加,吲哚含量减少。

代谢组学-脂质-代谢流-靶向定量

4. Wistar摄入抗生素后色氨酸、吲哚代谢的动态改变。 条形图显示途径中每种代谢物的倍数变化(y轴),分别是摄入抗生素后1358天(x轴)的浓度倍数变化。 灰色条表示粪便样品代谢物数据,而橙色条表示尿液样品代谢物数据

-脑轴通过调节褪黑激素分泌水平,补偿吲哚水平下降造成的影响,维持肠道稳态。

色氨酸代谢与肠道微生物有关,肠道细菌(主要是大肠杆菌)中的色氨酸酶将色氨酸代谢成吲哚,肠道进一步吸收吲哚到血液中,吲哚在肝脏中代谢成羟基吲哚硫酸盐,然后通过尿液排出。Wistar大鼠摄入抗生素后,大部分肠道微生物瞬时消除,重要的细菌酶如色氨酸酶迅速减少,从而使色氨酸和吲哚代谢受到了干扰。结果,在尿液和粪便样品中吲哚含量大大减少,而粪便样品中的色氨酸水平升高,见图4Figure 4)。同时,Wistar大鼠摄入抗生素后,尿液和粪便样品中色胺含量显著增加,原因是肠道微生物的减少,导致微生物酶的减少,从而使得微生物酶将色胺转化为含吲哚的代谢减少。而哺乳动物的利用色氨酸脱羧酶产生的色胺的过程仍不受影响,从而导致了色胺含量的累计和增加。另一种代谢产物,6-羟基褪黑素硫酸盐在摄入了抗生素的Wistar大鼠尿液样品中含量增加6-羟基褪黑素硫酸盐是褪黑激素的主要代谢产物, 并且是褪黑素合成和分泌的良好标志物。吲哚和褪黑激素在结构上彼此相似、可能具有相似的生物学功能。有研究表明,吲哚调节促炎症反应基因的表达,增加抗炎症反应基因的表达,并增强上皮细胞的屏障特性,这表明吲哚是肠上皮细胞有益细菌群的信号。摄入抗生素Wistar大鼠的尿液样品、粪便样品中6-羟基褪黑素升高的现象提示了:大脑中松果体、和各种外周细胞如骨髓、淋巴细胞、上皮细胞产生的褪黑激素升高。由于吲哚和褪黑激素在结构上彼此相似并且可能具有抗增殖等生物特性,因此可推测:尿液样品、粪便样品中观察到的褪黑激素的异常高表达,是为了在肠道微生物遭破坏后继续维持肠道稳态,以补偿的吲哚水平下降造成的影响 。此外,实验还观察到尿液样品、粪便样品中,几种色氨酸和酪氨酸代谢物,如多巴、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素等神经递质呈现代谢紊乱的状态。这些研究结果都从侧面证明了:肠道微生物的功能与肠 - 脑轴(gut-brain axis GBA)密切相关,肠 - 脑轴是一种整合脑和胃肠道功能的双向神经介质通讯系统。肠 - 脑轴具有调节胃肠道保持动态平衡的功能,中枢神经系统可作用于胃肠道从而改变肠道中微生物群栖息的环境。

结论

本研究验证了:肠道代谢谱的变化和肠道微生物组成变化有关联性,利用代谢组学技术分析宿主代谢物的变化信息,可揭示微生物组的组成结构、微生物组与宿主相互作用关系等肠道微生物宏基因组信息。代谢组学技术将为探索肠道微生物宏基因组、解决病理学、毒理学或中常见、复杂问题提供新的研究平台。

小编寄语

没想到 “小小”的肠道菌群居然有这么重要的作用,而代谢组学居然还可以这么用。人体内肠道菌群约有1000多种,基因数量约330万(约等于人类基因数量的150倍),对营养代谢、人体的发育、免疫及疾病产生等起重要的作用。代谢组学是20世纪90年代末期发展起来的一门新兴学科。代谢物是基因表达和蛋白质活性的末端产物,放大了蛋白质组的变化,因而代谢组学相较于其它组学方法更接近于生物表型。代谢组学将会在肿瘤、糖尿病、植物和微生物工程等研究中大放异彩。近年来研究者们利用代谢组学技术、宏基因组技术等先进的分析手段、数据挖掘技术不断扩大着“代谢组-微生物组”数据库,这一些努力必将助力破解肠道微生物、哺乳动物宿主之间关系,推动解决病理学、毒理学和药物代谢研究中遇到的问题。


文献内容

 

Title: The Footprints of Gut Microbial-Mammalian Co-Metabolism

 

Author: Xiaojiao Zheng, Guoxiang Xie, Aihua Zhao, Linjing Zhao,Chun Yao,Norman H. L. Chiu,Zhanxiang Zhou,       Yuqian Bao,   Weiping Jia,   Jeremy K. Nicholson,     and Wei Jia

Journal:  Journal of Proteome Research 2011, 10, 5512–5522  dx.doi.org/    

 

Keywords: gut microbial mammalian co-metabolism, microbiome, metabonomics, metabolomics, metagenomics, antibiotics, mass spectrometry

Abstract I Gut microbiota are associated with essential various biological functions in humans through a “network” of microbial-host co-metabolism to process nutrients and drugs and modulate the activities of multiple pathways in organ systems that are linked to different diseases. The microbiome impacts strongly on the metabolic phenotypes of the host, and hence, metabolic readouts can give insights into functional metagenomic activity. We applied an untargeted mass spectrometry (MS) based metabonomics approach to profile normal Wistar rats exposed to a broad spectrum β-lactam antibiotic imipenem/cilastatin sodium, at 50 mg/kg/daily for 4 days followed by a 14-day recovery period. In-depth metabolic phenotyping allowed identification of a panel of 202 urinary and 223 fecal metabolites significantly related to end points of a functional metagenome (p < 0.05 in at least one day), many of which have not been previously reported such as oligopeptides and carbohydrates. This study shows extensive gut microbiota modulation of host systemic metabolism involving short-chain fatty acids, tryptophan, tyrosine metabolism, and possibly a compensatory mechanism of indole melatonin production. Given the integral nature of the mammalian genome and metagenome, this panel of metabolites will provide a new platform for potential therapeutic markers and mechanistic solutions to complex problems commonly encountered in pathology, toxicology, or drug metabolism studies.

如果您觉得以上文章不错,请关注我们!

 

从实验设计到最终的生物学分析,谱领生物提供国际一流的专家级代谢组学服务。

代谢组学-脂质-代谢流-靶向定量












微信公众号或添加客服号