Nature Reviews Microbiology：肠道菌群在人类代谢健康和疾病中的作用

2020年9月，哥本哈根大学的相关研究人员在《Nature Reviews Microbiology 》（IF: 34.2）上发表了题为“Gut microbiota in human metabolic health and disease”的综述论文，详细论述了肠道微生物群和衍生微生物化合物对健康宿主的新陈代谢或常见代谢疾病发病机制的作用。

目前，人们对探索肠道微生物群和相关的粪便、血液和尿液代谢组作为代谢健康和各种代谢疾病的决定因素的潜在作用有很大的兴趣。鸟枪法测序技术的最新进展、测序成本的降低以及生物信息学的进步使人们能够更全面地了解肠道微生物群落及其功能潜力。同样，各种灵敏和精确的技术可以用来分析体液的代谢组。研究人员总结了一些最近被应用于揭示肠道微生物组和各种代谢组之间关系的策略。

微生物组间关联研究方法在很大程度上模仿了全基因组关联研究，在与表型（通常是疾病状态）相关的病例对照研究中识别遗传变异。在微生物组间关联研究中，微生物DNA是从肠道或粪便样本中纯化出来的，并进行基于鸟枪法的测序。分别将鉴定和组装的基因进行整合，以构建交叉采样的非冗余微生物基因目录。通过对单个样品中匹配序列的读数进行计数，可以确定每个基因的丰度。应用各种生物信息学算法和相关系数，将微生物组数据中的组装基因聚类到特定的组，例如宏基因组连锁组，宏基因组物种，共丰度基因组或宏基因组物种全基因组。然后提取分别映射到上述组里及其重叠群的单个样品的序列读数，随后组装成高质量的草图基因组，每个基因组均已定义 作为一个物种或一组高度相关的物种。

最近，在肠道微生物群中定义菌株水平的特征也成为可能。这些工具包括基于对已测序的微生物菌株的核心基因组应用单核苷酸变异分析的StrainPhlan、基于物种特异性高变位点的MetaMLst和基于泛基因组分析的MetaPanPhlan。然而，这些方法依赖于参考基因组的覆盖率和质量。菌株水平分析的结果仍然需要通过获得含有目标细菌分离物的纯培养物进行验证。此外，与健康或疾病状态的关联可以通过单个微生物基因、分类群或微生物功能潜力模块来表征。诸如监督式机器学习或随机森林之类的分类器可用于将每个样本分配给某个类别。

肠道细菌可以产生各种生物活性代谢产物，这些代谢产物可以通过吸收进入肠肝循环而进入宿主的血液。与疾病表型相关的特定代谢物可以通过基于粪便、血浆、尿液或其他生物流体的质谱或核磁共振代谢组学进行鉴定，从而能够对微生物组、代谢组和宿主表型进行联合分析，以确定潜在的机制联系。该分析框架至少包括四个步骤：首先，如上所述，基于与具有已知功能特征的蛋白质的序列相似性，可以通过将基因组织到KEGG的基因和基因组功能模块中来构建其功能潜力的微生物基因。第二步是对显示共丰度的代谢物进行聚类，以降低代谢组学特征的维数，因为代谢物通常由共同的途径形成，这些途径可以由前体调节。基于基因表达分析的加权基因共表达网络分析，可以对共丰度代谢产物进行聚类。下一步是对相关的聚集基因和代谢物进行非参数统计检验。最后，由一个或多个物种的相互作用来评估一个或多个物种之间的相互关系。这些特定代谢物与流行基因簇之间的相关性分析可能会导致鉴定出特定物种，这些物种具有产生疾病相关代谢物前体所需的基因，该疾病相关代谢物由肠道菌群或由宿主和肠道菌群共同产生。

为了从微生物组-疾病的关联发展到特定疾病中微生物组的功能，建议进行额外的实验来探索微生物组分与感兴趣疾病之间的潜在因果关系。使用鸟枪法测序和非靶向（即基于发现的、全局但半定量的）代谢组学分析方法分析受影响和对照个体的生物样本，以确定不同生物流体中不同丰富的微生物特征或分子（见下图a部分）。在非靶运行中，分析物的特征在于其保留时间和其质荷比（m/z值）。通过产生核磁共振波谱或将碎片行为和保留时间与合成参考标准相匹配，可以确认新化合物的鉴定。

微生物组和代谢组数据集都要进行综合分析，以获取候选生物合成基因簇（BGCs）、细菌或与代谢物高度相关的群落。为了确定目标化合物是否以微生物群依赖的方式产生，可以使用三重四极杆质谱法对无菌小鼠和对照小鼠的样本进行靶向（即，经常以定量方式验证定义明确的代谢物）分析（见下图b部分）。此外，传统的抗生素治疗小鼠拯救肠道菌群也可以具体证明肠道菌群在产生特定化合物方面的作用。当使用反应选择模式来靶向捕获候选分析物时，第一个四极杆（Q1）和最后一个四极杆（Q3）都设置为特定质量，只允许对来自某个前体的离子碎片进行不同的监测，从而提高检测灵敏度。当将选定的反应监控应用于一个或多个前体离子的多种产物离子时，该模式称为多反应监控。

人类肠道微生物组群数据和微生物衍生化合物可用于选择候选BGC、微生物物种或与特定化合物产生相关的微生物群落（见图c部分）。降维是通过将编码次生代谢物途径的生物合成酶的基因聚集在一起，结合富含共生基因的基因，以及聚集在特定生态环境中的共生微生物来实现的。可以以比较有针对性的方式分析具有参考BGC，微生物物种或微生物群落的无菌小鼠的表型特征，以检查目标化合物的丰度变化。

由于从流行病学和实验研究中获得的关于肠道微生物群对代谢健康的影响的知识呈指数级增长，人们对肠道微生物群受损人群中的靶向和非靶向干预措施的测试产生了兴趣（见下图）。

在啮齿动物中，饲喂各种营养成分会改变肠道微生物组和新陈代谢。特别是高饱和脂肪喂养会导致内毒素血症和胰岛素抵抗。有关膳食脂肪对人体肠道微生物影响的研究显示，高饱和或单不饱和脂肪的饮食对微生物群有负面影响，而多不饱和脂肪的饮食似乎是中性的。同样，高多糖饮食干预导致肠道微生物群改变，与短链脂肪酸的粪便，血清或尿液浓度增加，体重减轻以及细胞因子和代谢组谱的改善有关。此外，增加体育锻炼的干预措施已显示出肠道微生物组的适应性变化，在某些情况下，可以增强乳酸、支链氨基酸的分解能力，增加合成短链脂肪酸和改善心肺适应度和胰岛素敏感性的潜力。

双歧杆菌、乳酸杆菌和酵母菌作为安全的益生菌有着悠久的历史。对健康人短期随机对照试验的系统评价显示，益生菌对肠道微生物组成没有一致的影响。一些不易消化的多糖称为益生元，改变了啮齿类动物结肠中发酵微生物群的相对丰度，并诱导改善肠道屏障功能，在某些情况下改善新陈代谢。不同的益生菌菌株和益生元的组合也是如此，通常称之为微生物益生素，其代表巴氏杀菌的益生菌或具有促进健康作用的微生物菌株的一部分。

目前尚不清楚异种粪便微生物群移植是否是预防或治疗代谢障碍的一种选择。挑战包括缺乏关于饮食对粪便移植物定殖和存活的重要性、供体粪便的最佳厌氧处理、供者和受体之间的免疫相容性、以及噬菌体和真菌在粪便微生物群移植成功中的作用的相关知识。同时，有必要检查在代谢性疾病（即儿童或青少年时期的粪便样本生物库）发生前储存的复杂性较低的自体粪便微生物菌群移植的可行性和功效。

目前尚不确定卫生和药物管理局或消费者是否可接受将携带微生物基因的转基因生物带入人体肠道。通过提供定制药物靶向特定的微生物合成代谢产物是优化代谢的另一个新兴潜在领域。由于大多数噬菌体和古细菌病毒分别对细菌和古细菌菌株具有特异性，因此它们可能会在未来的实验中应用于代谢紊乱患者中针对微生物组的营养不良部分。同样，目前尚不清楚是否可以将CRISPR-Cas用于编辑和重置人类肠道微生物组的营养不良部分而不会对宿主造成不良影响。

由于不同人口，种族，性别，年龄和健康状况的个人之间存在巨大差异，不存在能够促进宿主代谢健康的人类肠道菌群的“黄金标准”参考。流行病学研究必须包括针对情境因素的控制或针对情境差异进行调整。

代谢健康的微生物群和营养不良之间的平衡至关重要。体内平衡是由多种因素维持的，如宿主基因、饮食、每日排便次数、体力活动、吸烟和药物使用。

高动物脂肪和蛋白质饮食、久坐不动的生活、吸烟、饮酒和相对不经常排便引起的微生物营养不良可能导致粘膜渗漏，肠道和全身炎症以及SCFA的产生减少，从而导致L细胞分泌的肠道激素减少。在发酵过程中，复合蛋白首先被各种细菌肽酶，蛋白酶和内肽酶裂解，释放出游离氨基酸和短肽，然后进行发酵。由于蛋白质发酵的增加，会产生支链脂肪酸（BCFA；2-甲基丁酸，异丁酸和异戊酸）、三甲胺、有机酸、气体（H₂S，H₂和CO₂）和微量的酚、胺、吲哚和氨，从而导致管腔pH值增加。总体而言，微生物环境和代谢物的此类变化会导致病原体相关分子模式（PAMP）泄漏，包括在血液中增加的脂多糖（LPS），并引发全身性低度炎症和胰岛素抵抗。

饮食对肠道菌群和宿主代谢的影响

一些与常见代谢紊乱有关的肠道微生物分类和功能特征

微生物信使调节宿主代谢