多组学技术分析肠道微生物碳水化合物代谢功能

        作为人类，我们除了需要与人体外部世界和谐共处，我们还需要与身体内部的微生物—肠道菌群，友好共处。肠道菌群负责将我们日常摄取的食物，如碳水化合物等能量大分子，加工为我们可利用的各种分子组分；因此肠道菌群对各种能量物质的代谢直接关系到人类的健康。那么肠道菌群对胰岛素抵抗有没有影响？是通过什么方式进行何种影响？2023年8月30日，日本横滨综合医学科学RIKEN中心，肠道生态系统实验室，Hiroshi Ohno团队，在Nature杂志上，在线发表了题为Gut microbial carbohydrate metabolism contributes to insulin resistance的文章，报道了该团队采用多组学数据分析，揭示肠道菌群中的拟杆菌属，对碳水化物，尤其是单糖，如葡萄糖，果糖，半乳糖，甘露糖，木糖以及阿拉伯糖的代谢，改善人体胰岛素抵抗。

        为了探索肠道菌群与人体胰岛素抵抗的关系，作者们按照无糖尿病及肠道疾病治疗，2周内没有使用抗生素的标准招募了306名年龄20～75，BMI 中位数24.9 (22.2~27.1) kg/m2, 糖化血红蛋白（HbA1c）含量中位数5.8 (5.5~6.1) % 进行年度体检的志愿者，其中71%为男性。本文除主要分析粪便代谢物与胰岛素抵抗 (IR) 外，也分析了其与代谢综合征 (MetS) 的关系。

        研究人员收集了志愿者的粪便与血液样品，并采用两种质谱分析平台对所收集的粪便与血液样品进行随机代谢组学分析。在粪便中鉴定出195种亲水性代谢物与2654种脂类代谢物，并在血液中鉴定出100种亲水性代谢物与653种脂类代谢物。为了分析肠道菌群功能的整体差异，粪便代谢物与预测基因概括为共丰度组 (co-abundance groups, CAGs) 与KEGG (Kyoto encyclopedia of genes and genomes, KEGG) 富集分析类。为了测试如何使粪便样品组学数据如实预测胰岛素抵抗，研究人员首先基于随机森林算法比较了ROC (receiver operating characteristic, ROC) 特征曲线的曲线下面积 (area under the curve, AUC)。利用粪便菌群16S rRNA V1-V2高变区PCR数据、代谢组、宏基因组及其合并数据集的最小冗余最大相关算法，选择出了该模型的预测变量，并最终确立粪便代谢物数据在研究胰岛素抵抗病理方面表现优越。紧接着，研究人员通过数据分析发现粪便代谢物中的碳水化物在IR个体中显著增加，尤其是单糖，如葡萄糖，果糖，半乳糖，甘露糖，木糖以及阿拉伯糖均在胰岛素抵抗个体的粪便中有所增加。

        此外，他们在共丰度组11 (CAG11) 观察到酯类代谢物与胰岛素抵抗相关，如溶血磷脂，胆汁酸，酯酰肉毒碱以及双半乳糖/葡萄糖甘油二酯 (digalactosyl/glucosyldiacylglycerol, DGDG)，以上脂类的结构中包含葡萄糖和/或半乳糖。比较有趣的是在共丰度组41(CAG41)中，研究人员观察到拥有不同酰基链的DGDGs与胰岛素抵抗无关；表明不同酰基链的酯类发挥不同的生理作用。随后，研究人员分析了胰岛素抵抗个体中菌群与代谢物的关系，菌类16S rRNA测序数据显示志愿者粪便中大致包含毛螺菌科 (Lachnospiraceae)，拟杆菌 (Bacteroides)，放线菌及无法归类的菌类四大类。深入分析发现，毛螺菌科及无法归类的菌类与胰岛素抵抗正相关；拟杆菌则有所不同，尤其是拟杆菌属名为Alistipes indistinctus的菌株消耗碳水化合物的能力出众。同时炎症数据显示，细胞因子，如IL-10, serpin E1, adiponectin及leptin，介导了粪便碳水化合物与宿主IR标志，如IR稳态模型评估指标HOMA-IR (homeostatic model assessment of IR, HOMA-IR) 之间绝大部分Silico模式下的因果关系。

        最后，研究人员在小鼠体内进一步验证肠道菌群，粪便碳水化合物及代谢疾病之间的因果关系。首先，他们分析了22种分别与胰岛素敏感 (IS) 或抵抗相关菌株培养物中的代谢物。各种能量物质消耗数据表明，单糖碳水化合物，如葡萄糖，甘露糖及葡萄糖胺优先被拟杆菌属类如A. indistinctus，Alistipes finegoldii，Alistipes putredinis消耗；其中菌株A. Indistinctus菌株表现最佳，该菌株可以强劲的消耗多种碳水化合物。据此，研究人员挑选了7种胰岛素敏感相关的菌株植入小鼠体内以评估对代谢疾病的治疗效果。试验结果显示，经拟杆菌植入后，小鼠的代谢状况改善，与前面数据一致的是，植入A. Indistinctus菌株小鼠的代谢状况最佳。

        总的来说，本文采用了多组学技术，对人体的肠道菌群-菌群代谢物-代谢疾病之间的关系进行了探索。并以人体组学分析数据为导向，在小鼠体内植入胰岛素敏感相关微生物组进行更加深入的验证，为胰岛素抵抗的治疗提供了新的方法。

        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06466-x