绘谱导读︱2021年1月代谢组学文献精选

微生物群可保护宿主免受感染，这一过程被称为定殖抵抗。然而感染在整个免疫进化过程中普遍存在，且研究发现定期接触病原体可能有利于微生物群发挥最佳的抗菌功能，具有感染史的小鼠表现出免疫力增强，对肠道菌群扰动也具有更高的抵抗力。本研究围绕感染本身是如何形成这一基本过程展开探索。

(1) SPF小鼠（无特定病原体动物）、移植野生小鼠菌群的无菌小鼠（wildR小鼠）和感染过假结核耶尔森氏菌减毒株（ΔyopM）的SPF小鼠对肺炎克雷伯菌（Kpn）的抵抗力是否不同进行相关检测分析，发现与对照组相比，wildR小鼠和ΔyopM小鼠均表现出对Kpn的抵抗力增强，ΔyopM和wildR小鼠肠道菌群变形菌门中δ-变形菌纲和β-变形菌纲显著增加。这表明，感染通过重塑微生物群来增强对后续感染的抵抗力；

(2) 对ΔyopM和wildR小鼠菌群进行宏基因组分析，发现这两组小鼠具有的18共有功能，其中6个参与硫代谢和甲萘醌生物合成。硫代谢途径主要受δ-变形菌纲影响，δ-变形菌纲能够在厌氧呼吸中从牛磺酸或硫酸盐等含硫化合物获取能量。代谢组学分析显示在两组小鼠中牛磺酸以及胆汁酸水平均显著增加，以上结果显示能致病菌感染会对宿主胆汁酸代谢产生长期影响，导致肠道牛磺酸持续增加，使利用牛磺酸的δ-变形菌纲富集；

(3) 饮水补充牛磺酸或将感染小鼠粪便菌群移植到GF小鼠中，发现牛磺酸补充和粪菌移植都丰富了肠道微生物中具有代谢牛磺酸功能的菌群成员。说明牛磺酸处理的小鼠微生物群发生变化且产生更多硫化物；

(4) 高浓度硫化氢可以抑制病原体生长依赖的有氧电子传输链中的末端酶细胞色素氧化酶的活性。使用硫化物螯合剂水杨酸铋处理小鼠后其肠道菌群释放的硫化物明显减少，粪肠球菌、大肠杆菌等有氧呼吸菌群扩大，微生物群组成被扰乱，且对Kpn的抗性明显减弱，促进了病原体的入侵。表明牛磺酸通过增强微生物群中硫化物的产生，进而抑制病原体的需氧呼吸作用，增强定植抗性。

Infection trains the host for microbiota-enhanced resistance to pathogens. Cell. 2021 . doi: 10.1016/j.cell.2020.12.011. 

饮食脂肪对健康的影响一直是营养领域最令人困扰的问题之一。由于膳食脂肪所产生的健康影响可以通过很多因素来改变，因此，为阐明膳食脂肪对健康的影响，有必要设计一个严格的长期实验来控制总能量摄入。目前，通过控制能量摄入来检验高脂肪饮食对寿命影响的动物研究很少。本研究在控制总能量摄入的条件下，探讨比例较高的高脂肪对健康产生的影响。

(1) Wistar 大鼠分为正常饲粮组、等热量适度高脂肪饲粮组 (IHF) 和自由摄入高脂肪饲粮组(FHF)。经过两年统计分析，与对照组相比，IHF 组大鼠中位寿命显著延长 90 天，而 FHF 组大鼠中位寿命显著降低了 79 天，且 IHF 组大鼠肿瘤发生率低于对照组。结果表明IHF饮食不仅延长老鼠寿命，而且改善了整个身体健康的许多方面；

(2) 动态测量衰老相关生物标志物，结果显示IHF组ROS和IL-6显著降低，表明IHF可以改善炎症和氧化应激。血清、肝脏、肌肉脂肪酸成分分析显示 IHF 通过下调脂肪酸合成，上调脂肪酸代谢，加速脂肪代谢，从而降低总脂肪酸和棕榈酸 (PA)。脂肪酸的变化导致氧化应激、炎症、寿命延长等方面的改变；

(3) 蛋白质组结果显示PPRC1是一种关键蛋白质，在IHF组显著上调近2倍，PPRC1 (PPARγ 共激活因子1) 既存在于相关通路的差异表达蛋白中，又与PA 变化呈显著负相关。表明 PPRC1可能在大鼠衰老过程中起重要作用；

(4) 生物信息学分析显示参与脂肪酸代谢相关蛋白 PPARG可能介导 PA 对 PPRC1 表达的影响。通过PPRC1转基因RNAi /过表达果蝇和体外实验发现，IHF可以显著降低PA，从而通过PPARG上调PPRC1，改善氧化应激和炎症并延长寿命。

An isocaloric moderately high-fat diet extends lifespan in male rats and Drosophila. Cell Metab. 2021 doi: 10.1016/j.cmet.2020.12.017.

减肥手术是目前治疗2型糖尿病（T2D）最有效、最持久的方法。袖状胃切除术（SG）是最常见的减肥手术。据报道许多患者经SG后其糖尿病表型近乎消退。临床研究表明SG后肠促胰岛素激素GLP-1的循环水平会升高同时胆汁酸 (BA)含量及肠道微生物群组成发生变化。先前研究也证明了SG后个体BA水平发生显著变化，然而，SG后BA变化的原因及T2D早期改善的分子机制仍不清楚。

(1) 抗生素治疗、饮食诱导肥胖（DIO）小鼠、无菌DIO小鼠进行SG或假手术，术后6周进行测量以评价术后早期变化。BA定量结果显示，SG后盲肠内容物胆酸-7-硫酸酯（CA7S）显著升高，而抗生素组、无菌DIO小鼠CA7S水平显著降低。说明CA7S的产生需要特定的微生物群。CA7S可激活TGR5促进GLP-1分泌，SG之前和之后用抗生素均可消除SG诱导的GLP-1分泌增加，表明肠道微生物群在SG导致的GLP-1分泌中必不可少；

(2) 体内外实验表明肝脏中CA经mSULT2A1酶作用生成CA7S且需要菌群参与。此外，体外构建BAs池其模拟在常规和抗生素治疗的假手术组和SG组门静脉中观察到的平均生理比率并测试该情况下人肝HepG2细胞中肝脏磺基转移酶（hSULT2A）表达能力。 结果显示常规SG门静脉BAs显著诱导hSULT2A表达，而当细胞与抗生素处理的假手术门静脉BAs一起孵育时，hSULT2A表达显著降低。表明SG后经门静脉从肠道循环至肝脏的BAs可诱导肝细胞hSULT2A表达，并且这种诱导存在微生物群依赖性；

(3) 门静脉BA分析显示，SG后石胆酸（LCA，肠道菌群代谢物）是唯一水平显著升高的BA。LCA可激活维生素D受体（VDR），诱导肝胆汁酸磺基转移酶SULT2A1表达，促进人肝细胞和小鼠体内胆酸（CA）磺化，进而促使CA7S产生。敲低VDR可降低CA7S合成，导致GLP-1分泌减少，这表明VDR的激活对于CA7S调控肠内分泌细胞分泌GLP-1是必需的；

(4) SG后小鼠肠道菌群发生显著变化，导致小鼠和人类肠道中LCA合成减少。并且肠道中胆汁酸转运蛋白ASBT和OSTα的表达显著升高，促进LCA选择性转运至肝脏。说明门静脉LCA水平升高不是因为肠道中LCA生成增加，而是因为肠道转运增加；

(5) 与假手术组相比， SG后小鼠盲肠微生物菌群移植（CMT）给无菌（GF）受体小鼠后，盲肠中LCA的转运增加，盲肠中CA7S水平增加，重塑CA7S通路；肠道-肝脏通路的激活导致CA7S合成和人肠内分泌细胞中GLP-1的分泌，从而降低糖尿病风险。

A microbial metabolite remodels the gut-liver axis following bariatric surgery. Cell Host & Microbe. 2020. doi: 10.1016/j.chom.2020.12.004.

肠道菌群可产生具有生物活性的小分子代谢物，这些小分子代谢物可作为G蛋白偶联受体和核激素受体的配体影响哺乳动物生理，可作为小分子药物治疗和预防的靶标。据报道饮食与肠道菌群相互作用会影响粪便和血浆代谢组，比如水果和蔬菜中的膳食纤维对小鼠微生物群的结构和功能有很大影响，并且某些作用在临床中是可重现的。但饮食对人肠道菌群组成和代谢功能的影响尚不清楚。

(1) 纳入30名健康人，随机分为素食组、无纤维饮食组（EEN）和杂食组，实验分为三个阶段：饮食阶段（第1-5天），抗生素（万古霉素和新霉素）和聚乙二醇（Abx / PEG）处理阶段（6-8天）和恢复阶段（9-15天），分别收集粪便样本进行16S rDNA 测序，结果发现，与杂食和素食相比，无纤维饮食组肠道菌群发生显著改变；

(2) 抗生素干预后，肠道内细菌浓度瞬时降低，恢复阶段，无纤维饮食组肠道菌群恢复能力最弱，变形菌显著富集，菌群对碳水化合物和氨基酸的代谢能力显著下降；而素食组和杂食组中，厚壁菌富集，该菌可促进碳水化合物和氨基酸的代谢；

(3) 粪便代谢组学结果显示，饮食阶段三个饮食组中色氨酸（IPA前体物质）、IPA（吲哚丙酸）水平相似。Abx / PEG干预后，三组的血浆色氨酸水平相似，粪便色氨酸水平增加，而在粪便和血浆中均没有检测到IPA，表明肠道微生物组是IPA生产的主要来源。恢复阶段，EEN组粪便色氨酸水平升高（这可能是由于无法代谢为IPA引起），IPA在杂食组和纯素食组的粪便和血浆中均升高，但在EEN组中未升高。整体上，粪便样本氨基酸及其代谢产物、丁酸以及一些新发现的菌群代谢物的水平发生显著改变。结果显示饮食可以通过改变碳水化合物和氨基酸代谢塑造肠道微生物群的功能；

(4) 3种方案的血液样本进行代谢组检测，结果显示，3种饮食方案下，血液代谢物变化不显著。

Role of dietary fiber in the recovery of the human gut microbiome and its metabolome. Cell Host & Microbe. 2020. doi: 10.1016/j.chom.2020.12.012.

无热量人工甜味剂（NCAS）广泛用于控制体重或血糖的膳食糖的替代品，然而有些研究表明，在NCAS消耗过程中，葡萄糖稳态会发生不利的变化。但影响机制在很大程度上是未知的，其中肠道菌群的不利变化已被证明会介导这些效应，这些发现引起人们对NCAS安全性的担忧。本研究为双盲、安慰剂对照、平行对照研究，探讨纯糖精化合物对健康男性和女性肠道菌群和葡萄糖耐受的影响。

(1) 将46名参与者随机分成4组，分别摄入安慰剂、糖精、lactisole（甜味受体抑制剂）、糖精+lactisole，每日以胶囊形式摄入2次，持续2周。动物实验，给甜味受体敲除小鼠（T1R2-KO）和野生型小鼠的饮用水中添加高剂量纯糖精，持续10周；

(2) 在人和小鼠中，所有干预措施都不影响口服葡萄糖耐量试验(OGTT)中葡萄糖或激素反应或小鼠的葡萄糖吸收；

(3) 对人和小鼠粪便进行16S rRNA测序，结果显示4组之间菌群多样性和组成没有显著差异；

(4) 代谢组学结果显示，所有干预措施对粪便主要代谢物以及短链脂肪酸没有显著影响，而T1R2-KO小鼠没有出现野生型小鼠粪便短链脂肪酸的年龄依赖性增加及葡萄糖耐量异常发展。

High-dose saccharin supplementation does not induce gut microbiota changes or glucose intolerance in healthy humans and mice. Microbiome. 2021. doi: 10.1186/s40168-020-00976-w. 

T细胞是免疫系统的主要组成部分，保护宿主免受感染和癌症。而营养可用性对于T细胞功能和免疫反应至关重要，如微环境中丝氨酸、犬尿氨酸和精氨酸能够影响T细胞生存、增殖和效应反应。天冬酰胺作为一种终端代谢产物会被肿瘤细胞大量释放到胞外。但微环境中天冬酰胺（Asn）对于T细胞功能的影响却知之甚少。

(1) 体内体外实验均表明Asn水平升高可增强CD8⁺ T细胞的活化和对肿瘤细胞的效应功能；相反，饮食限制Asn、使用天冬酰胺酶水解天冬酰胺或抑制先冬酰胺的转运体SLC1A5可削弱CD8⁺ T细胞的活性和反应；

(2) 使用mTORC1雷帕霉素抑制剂或耗竭谷氨酰胺都不足以阻止Asn介导的CD8⁺ T细胞活化增强，表明背后有独立的活化机制；

(3) 补充Asn可影响多种代谢物的胞内水平，但¹⁵N-Asn同位素示踪实验发现被摄取的天冬酰胺并没有被进一步代谢，表明Asn并非通过代谢参与其对T细胞的活化；

(4) 进一步机制研究表明Asn结合Src家族蛋白酪氨酸激酶LCK并协调LCK磷酸化Tyr 394和505，从而导致LCK活性和T细胞受体信号转导增强；

该研究揭示了Asn通过控制T细胞的激活和有效性直接调节适应性免疫反应中发挥的关键作用，并进一步揭示了LCK是一种天然的天冬酰胺传感器，感应天冬酰胺介导T细胞功能，为理解微环境中天冬酰胺的功能提供了研究方向。

Asparagine enhances LCK signalling to potentiate CD8+ T-cell activation and anti-tumour responses. Nat Cell Biol. 2021. doi: 10.1038/s41556-020-00615-4. 

慢性肝脏炎症和肝硬化是肝细胞癌（HCC）发病的关键，而常见风险因素包括病毒性肝炎、酒精性肝病、非酒精性脂肪肝(NALFD)。随着全球肥胖和Ⅱ型糖尿病流行，NALFD相关HCC （NALFD-HCC）预计将成为HCC的主要原因。肠道菌群可调节HCC的免疫反应，而深入理解影响HCC免疫反应的因素将为开发HCC预后标志物和新的治疗方式提供独特机会。

(1) 纳入90例受试者，其中32例NALFD-HCC、28例NALFD-cirrhosis和30例non-NALFD对照。NALFD-HCC病人调节性T细胞（Tregs）比例显著升高，CD8+T比例显著降低，而NALFD-cirrhosis和对照见无明显差异；

(2) 粪便宏基因组学分析发现NALFD-HCC患者肠道菌群明显失调，在HCC发展过程中菌群组成和功能发生明显变化，其中短链脂肪酸(SCFA)合成相关菌群在NALFD-HCC中富集；

(3) 代谢组学证实了宏基因组结果，短链脂肪酸定量分析结果发现NALFD-HCC患者粪便和血清样本中SCFA及中间产物明显增加；

(4) 体外实验表明NALFD-HCC患者的细菌分离可诱导T细胞免疫抑制表型，表现为Treg细胞扩张和CD8⁺ T细胞衰减；

该研究表明NALFD-HCC患者肠道菌群结构和代谢谱均发生明显改变，而相关菌群能够调节外周的免疫反应。

Gut microbiota impact on the peripheral immune response in non-alcoholic fatty liver disease related hepatocellular carcinoma. Nature Communications. 2021. doi:10.1038/s41467-020-20422-7.

原发性硬化性胆管炎(PSC)是一种病因不明的慢性进行性胆汁淤积性肝病，以胆道树多灶性炎症和纤维化为特征。研究发现PSC患者肠道微生物组成发生变化，同时伴随着功能改变，从而影响宿主和疾病表型。本研究通过宏基因组测序结合代谢组学分析PSC患者肠道菌群以及血浆代谢物变化来研究PSC患者中菌群变化特点。

(1) 从两个独立中心纳入136名PSC患者、158名健康对照（HC）和93名IBD患者（无PSC症状），粪便宏基因组测序分析显示，相较于HC，PSC患者微生物丰富度显著降低，其中梭菌属增加，真杆菌属和瘤胃球菌属等减少；

(2) PSC患者中维生素B6合成和支链氨基酸(BCAA)合成相关的菌群基因丰度存在显著差异；

(3) 血浆靶向代谢组学分析发现PSC患者中维生素B6相关代谢物和BCAAs浓度降低，这与肝移植存活率的降低无密切相关；

(4) 合并两个队列微生物组数据发现，有IBD和没有IBD的PSC患者之间没有发现分类或功能差异。

Altered gut microbial metabolism of essential nutrients in primary sclerosing cholangitis. Gastroenterology. 2020. doi: 10.1053/j.gastro.2020.12.058.

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