隨著人類微生物組計(jì)劃（HMP）和人類腸道宏基因組學(xué)（MetaHIT）項(xiàng)目的推進(jìn)，科學(xué)家們逐漸認(rèn)識(shí)到腸道微生物群在宿主健康中的重要作用。腸道微生物不僅影響營養(yǎng)代謝，還與多種疾病（如肥胖、糖尿病和炎癥性腸?。┟芮邢嚓P(guān)。特別是短鏈脂肪酸（SCFAs）作為腸道微生物代謝的主要產(chǎn)物，被發(fā)現(xiàn)對(duì)宿主的免疫調(diào)節(jié)、能量平衡及腸道屏障功能具有顯著影響。此外，氨基酸代謝在合成蛋白質(zhì)及其衍生物方面也扮演著關(guān)鍵角色，這些代謝產(chǎn)物對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)的功能有著深遠(yuǎn)的影響。因此研究腸道微生物組如何通過SCFAs和氨基酸代謝影響宿主健康至關(guān)重要。

目前，在腸道微生物研究領(lǐng)域，大多數(shù)研究者通常通過宏基因組+代謝組來分析特定微生物氨基酸代謝和短鏈脂肪酸代謝與各種疾病之間的關(guān)系。那么如何通過宏基因組技術(shù)同時(shí)獲得微生物和代謝信息，進(jìn)而更深入的挖掘微生物代謝在宿主健康和疾病中的作用進(jìn)行分析呢？

文獻(xiàn)案例

肌痛性腦脊髓炎/慢性疲勞綜合癥（ME/CFS）的特征是無法解釋的虛弱疲勞、認(rèn)知功能障礙、胃腸道紊亂和直立不耐受。本研究報(bào)告了一項(xiàng)對(duì)106例病例和91名健康對(duì)照者進(jìn)行的多組學(xué)分析，涵蓋了地理上多樣化的隊(duì)列，揭示了腸道微生物組的多樣性、豐度、功能通路和相互作用的差異。結(jié)果表明：作為人類腸道中公認(rèn)的豐富且有益的丁酸鹽生產(chǎn)者，糞腸球菌（Faecalibacterium prausnitzii）和直腸厭氧菌（Eubacterium rectale）在ME/CFS患者中減少。功能性宏基因組學(xué)、定量PCR和糞便短鏈脂肪酸代謝組學(xué)確認(rèn)了微生物合成丁酸鹽的能力不足。本研究基于糞便宏基因組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)丁酸菌豐度下降，進(jìn)一步通過功能基因分析，發(fā)現(xiàn)疾病組中的產(chǎn)丁酸途徑的功能基因存在缺失，結(jié)合短鏈脂肪酸檢測，證實(shí)了微生物合成丁酸鹽的能力不足。

慢性自發(fā)性蕁麻疹（CSU）常常伴隨著腸道菌群失調(diào)，但其相關(guān)性仍不明確。研究利用多組學(xué)評(píng)估了CSU患者糞菌移植、肺炎克雷伯菌、Roseburia hominis及代謝物在體內(nèi)的作用。結(jié)果表明CSU患者腸道菌群多樣性和短鏈脂肪酸水平降低，但腸道肺炎克雷伯菌水平增高，其與血液中短鏈脂肪酸水平呈負(fù)相關(guān)，并與疾病的高活動(dòng)性有關(guān)。同時(shí)血液中脂多糖（LPS）水平升高，與疾病的快速復(fù)發(fā)和腸道條件致病菌水平升高有關(guān)。CSU菌群移植和肺炎克雷伯菌移植促進(jìn)了受體小鼠IgE介導(dǎo)的肥大細(xì)胞（MC）驅(qū)動(dòng)的皮膚炎癥反應(yīng)，并增加了腸道通透性和血液中脂多糖的積累。通過移植Roseburia hominis和補(bǔ)充己酸鹽可保護(hù)受體小鼠免受MC驅(qū)動(dòng)的皮膚炎癥反應(yīng)。本研究最終發(fā)現(xiàn)了在CSU中，腸道菌群的改變可能會(huì)減少短鏈脂肪酸同時(shí)增加脂多糖水平，從而促進(jìn)MC驅(qū)動(dòng)的皮膚炎癥反應(yīng)的發(fā)生。本研究基于宏基因組測序和靶向代謝組學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CSU患者的腸道菌群與健康對(duì)照者明顯不同，并且CSU與短鏈脂肪酸SCFA生產(chǎn)者水平降低和肺炎克雷伯菌等條件病原體增加顯著相關(guān)。體內(nèi)IgE介導(dǎo)的皮膚肥大細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的炎癥反應(yīng)增加。

相信通過文獻(xiàn)大家也了解到是可以通過挖掘宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行氨基酸代謝、短鏈脂肪酸代謝分析的。因此凌恩生物通過查閱大量基于宏基因組測序分析腸道菌群代謝和免疫能力的相關(guān)文件，建立了完整的短鏈脂肪酸、氨基酸合成通路，自主研發(fā)了腸道菌群代謝功能分析流程，深入挖掘宏基因組數(shù)據(jù)，比較并識(shí)別不同處理組的動(dòng)物腸道菌群代謝能力上的優(yōu)勢，評(píng)估益生菌/飼料/藥物等對(duì)動(dòng)物健康的影響。

凌恩生物宏基因組微生物功能通路/基因分析思路

● 短鏈脂肪酸代謝：腸道微生物發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生SCFAs，主要包括乙酸、丙酸和丁酸，其中乙酸、丙酸和丁酸占總SCFAs的95%以上。凌恩生物匯總了包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乙酸or丙酸在內(nèi)的共22個(gè)功能基因，共10個(gè)子路徑；

● 通過建立完整的模式圖，確定不同代謝過程所涉及的功能基因及其豐度計(jì)算方法，基于宏基因組測序數(shù)據(jù)的基因注釋及豐度定量結(jié)果，對(duì)腸道菌群代能力進(jìn)行分析及比較。分析結(jié)果從兩方面分析了與營養(yǎng)代謝合成關(guān)鍵基因，一是在 KEGG 數(shù)據(jù)庫中與短鏈脂肪酸、氨基酸有關(guān)的代謝路徑的豐度；二是與營養(yǎng)代謝合成有關(guān)的關(guān)鍵基因的分析以及與相關(guān)宿主微生物的識(shí)別。

部分分析結(jié)果展示

腸道菌群介導(dǎo)的短鏈脂肪酸和氨基酸合成代謝途徑適用于腸-X軸研究、微生物與宿主互作、益生菌調(diào)控宿主健康等多種研究場景，從多角度研究這些“微小的化學(xué)家”如何影響動(dòng)物健康，讓你的文章脫胎換骨！

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參考文獻(xiàn)

[1]Deficient butyrate-producing capacity in the gutmicrobiome is associated with bacterial networkdisturbances and fatigue symptoms in ME/CFS. Cell Host & Microbe, 2023.

[2] Gut microbiota facilitate chronic spontaneous urticaria. Nature Communications. 2024.