肠道菌群研究新策略——肠菌代谢物及其功能研究

近年来，肠道菌群已成为科研界最为火爆的研究领域之一，作为人体的“第二基因组”，肠道微生物与人体多种疾病的发生发展直接相关。“肠道菌与代谢”已是顶尖杂志封面的常客[1,2]，如今肠道菌群和CRISPR基因编辑技术、肿瘤免疫疗法，已然比肩成为生命科学研究的最热点。

小编之前隆重推出了Biotree肠道菌群代谢组（详情请点击：新品发布 | Biotree肠道菌群代谢组学助力肠道菌功能研究）。Biotree集结肠菌研究人士，通过宏基因组深度测序数据结合KEGG、HMDB数据库、文献等，历经1年建立了Biotree肠道菌群代谢组数据库：可有效对代谢物进行溯源分类：1166+肠道菌群特有的代谢物，868+人菌共有的代谢物，以及人特有的代谢物；将大力助力肠道菌群与健康作用机制研究。

Fig 1. 肠道菌群是CNS杂志封面的常客

今天小编继续介绍肠道菌群研究新策略--肠菌代谢物及功能研究思路。

1

菌群代谢物特异性检测

——Biotree高通量靶标代谢组

Biotree肠道菌群代谢组可以帮助我们快速筛选出肠道菌群特异代谢物，Biotree高通量靶标代谢组助力我们验证这些代谢物，深入探究这些代谢物对健康的影响。

目前研究发现与肠道菌代谢并与宿主健康密切相关的代谢物主要包括：胆汁酸[3]、短链脂肪酸[4]、甲胺类（如TMAO）[5,6]、多酚类、多胺类、吲哚类、维生素类、氨基酸等多种类型[7,8,9]。当然目前所鉴定到的只是冰山一角，还有更多的肠菌代谢物有待我们去探索发掘。

Fig 2. 与健康相关的肠道菌群代谢物 

Biotree胆汁酸高通量靶标定量

胆汁酸（Bile acid）是胆固醇在肝脏分解代谢的一组产物，调节人体糖代谢、能量代谢、脂质代谢、免疫等多种重要功能。肠道菌群与胆汁酸代谢密切相关，肠道菌群影响胆汁酸的合成与重吸收，同时胆汁酸也可调节肠道菌群的组成。胆汁酸和肠道菌群互作，在肝胆疾病、胃肠疾病、肥胖、糖尿病等多种疾病的发生发展中起着关键性作用[10]。因此，胆汁酸研究不仅在探索胆汁酸代谢相关疾病的机理机制方面有重要价值，同时也为肠道菌群的研究找到新的突破口。

表1 Biotree胆汁酸检测列表

注：共可检测41+胆汁酸类物质

Biotree短链脂肪酸靶标定量

短链脂肪酸（SFCAs）主要由肠道微生物对不易消化的碳水化合物酵解而产生，是肠道菌群影响机体的主要方式之一。越来越多的研究表明，SFCAs对肠道的能量供应、免疫调节、抗炎、调节肠道菌群平衡、抗肿瘤效应、改善肥胖等方面有重要作用[11]。对SFCAs的深入研究或可成为预防与治疗相关疾病的新方向。

表2 Biotree短链脂肪酸检测列表

Biotree氧化三甲胺及相关代谢物靶标定量

氧化三甲胺（TMAO）在人体中主要来源于肝脏中三甲胺（TMA）的催化氧化，肠道菌群将胆碱和卵磷脂代谢为三甲胺（TMA），TMA经肝脏循环进入肝脏FMO酶催化生成TMAO。除了胆碱外，甜菜碱、肌酸酐及肉碱也是TMAO的前体物质。研究表明TMAO及相关代谢物参与心血管病、高血压、糖尿病、心功能不全、动脉硬化等多种疾病的致病过程[12,13]，因此TMAO的研究为相关疾病发病机理探索、诊断及治疗均有重要的参考价值。

表3 Biotree氧化三甲胺及相关代谢物检测列表

2

多组学关联分析

多组学关联—16S rRNA测序+Biotree肠道菌群代谢组

16S rRNA测序：即提取微生物样本DNA，利用保守区设计引物进行PCR扩增，然后对特定区段PCR产物进行高通量测序，获得样本中菌群结构及丰度、系统进化、环境相关性等信息。其价格低，性价比高，是菌群研究中最常用的手段之一。

16S +Biotree肠菌代谢组：16s rRNA测序能告诉我们肠道菌群的结构，但无法得知肠菌的“功能”信息即肠菌如何通过代谢影响宿主健康。Biotree肠菌代谢组可有效区分代谢物的来源，能快速挑选出肠菌特异功能代谢小分子；16S与Biotree肠菌代谢组的关联分析，可以从肠菌“结构”与“功能”两个方面揭示肠道菌群结构改变对这些功能代谢物的影响，全面探索肠道菌群与宿主相互作用机制。

多组学关联—宏基因组测序+Biotree肠道菌群代谢组

宏基因组测序：是以环境样本中全部微生物基因组为研究对象，在分析微生物种群结构、进化关系的基础上，进一步探索基因功能、微生物间互作关系及与环境之间的关系。相比于16S测序，宏基因组测序能够鉴定微生物到种水平甚至菌株水平，并能准确注释出基因功能。

宏基因组+Biotree肠菌代谢组：在分析肠菌的“结构”与“功能”基础上，宏基因组得到的基因信息结合Biotree肠菌代谢数据库（1166个菌群特有物质），可以清晰的知道具体是哪些肠菌产生了这些特有功能代谢物，这一研究也将极大推进肠道菌群靶点治疗研究的进步。

Fig 3. 多组学联合分析揭示肠道菌群与疾病发病机制

3

分子生物学实验验证代谢物功能

通过Biotree肠道菌群代谢组检测及宏基因组测序，经过分析鉴定了肠道菌群特异代谢物，一般就可以发表一篇不错的文章了。但如果要冲击顶尖杂志，还需要对代谢物的功能进行验证。在细胞或动物模型上，调控肠道菌特异代谢物的水平，验证其生物学功能，并对其起作用的可能的分子机制进行研究，就有很大的可能性发表CNS论文了。

Fig 4. 肠道菌群研究整体策略

最后小编总结一下肠道菌群研究整体策略：通过Biotree肠道菌群代谢组筛选出肠道菌群特异代谢物，结合16S及宏基因组测序挑选引起肠菌代谢物变化的关键菌群，从肠道菌群“结构”与“功能”方面共同揭示肠道菌群结构改变对功能代谢物的影响；然后建立细胞或动物模型，通过靶标代谢组学和分子生物学手段验证代谢物的生物学功能；最终阐明肠道菌群与宿主互作机制及肠道菌群代谢对宿主健康的作用。

Biotree健康研究院团队拥有多年肠道菌群研究经验，可提供专业完整的菌群研究策略。从肠道菌群测序与代谢组关联分析到分子生物学实验验证代谢物功能，Biotree均可为您提供最优质的服务，让Biotree为您的研究助一臂之力！ 

参考文献：

[1] Gopalakrishnan V , Spencer C N , Nezi L , et al. Gut microbiome modulates response to anti-PD-1 immunotherapy in melanoma patients[J]. Science, 2018, 359(6371):97.

[2] Zhu W , Winter M G , Byndloss M X , et al. Precision editing of the gut microbiota ameliorates colitis[J]. Nature, 2018, 553(7687):208.

[3] Wahlström A, Sayin S , et al. Intestinal Crosstalk between Bile Acids and Microbiota and Its Impact on Host Metabolism. Cell Metabolism , 2016, 24(1):41-50.

[4]Canfora E E , Jocken J W , Blaak E E . Short-chain fatty acids in control of body weight and insulin sensitivity[J]. Nature Reviews Endocrinology, 2015.

[5]Wu W K , Chen C C , Liu P Y , et al. Identification of TMAO-producer phenotype and host-diet-gut dysbiosis by carnitine challenge test in human and germ-free mice[J]. Gut.

[6]Wang Z , Klipfell E , Bennett B J , et al. Gut flora metabolism of phosphatidylcholine promotes cardiovascular disease[J]. Nature, 2011, 472(7341):57-63.

[7]Xu W T , Nie Y Z , Yang Z , et al. The crosstalk between gut microbiota and obesity and related metabolic disorders[J]. Future Microbiology, 2016, 11(6):825-836.

[8]Chittim CL, Martinez Del Campo A , et al. Gut bacterial phospholipase Ds support disease-associated metabolism by generating choline. Nature microbiology, 2018.

[9]Yan S , Huang J , Chen Z , et al. Metabolomics in gut microbiota: applications and challenges[J]. Science Bulletin, 2016, 61(15):1151-1153.

[10]Guoxiang Xie,et al. Dysregulated hepatic bile acids collaboratively promote liverCarcinogenesis. Int J Cancer, 2016, 139(8): 1764-75.

[11]Gut bacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes. Science. 2018.

[12]Ufnal M, Zadlo A, Ostaszewski R. TMAO, a small molecule of great expectations.[J]. Nutrition, 2015, 31(11-12):1317–1323.

[13] Sharma A, Chhibber-Goel J, Singhal V, et al. The metabolite Trimethylamine-N-oxide is an emergent biomarker of human health.[J]. Current Medicinal Chemistry, 2016.