簡(jiǎn)單易行的微生物組和代謝組聯(lián)合分析

為了深入了解腸易激綜合征（IBS）中復(fù)雜的調(diào)控軸微生物-腸道-大腦，必須結(jié)合幾種生物學(xué)和臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本研究旨在識(shí)別與腸易激綜合征相關(guān)的糞便微生物群和代謝物，并描述腸易激綜合征的特定表型。本研究納入142名IBS患者和120名健康對(duì)照者（HC）的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集具有廣泛的臨床、生物學(xué)和表型信息；使用質(zhì)子核磁共振（¹H-NMR）光譜和鳥(niǎo)槍法宏基因組測(cè)序（HG）測(cè)定糞便代謝物和腸道微生物組。本研究于2022年1月發(fā)表在《Gut Microbes》IF：10.245期刊上。

技術(shù)路線：

主要研究結(jié)果：

1、樣本基礎(chǔ)信息

糞便樣本來(lái)自314個(gè)（181例IBS患者，133例HC對(duì)照）受試者，受試者的基線信息如表1所示。糞便水1H-NMR光譜代謝分析數(shù)據(jù)采集自267例受試者，并配對(duì)262例（142例IBS患者，120例HC對(duì)照）的1H-NMR數(shù)據(jù)和糞便MGS數(shù)據(jù)，基線數(shù)據(jù)和總體數(shù)據(jù)間無(wú)差異。IBS組和HC組比較，作為腸腦交互作用改變的指標(biāo)，IBS患者組的焦慮和抑郁得分較高，生活質(zhì)量和高應(yīng)激反應(yīng)性等心理成分得分較低（表1），其余各項(xiàng)病理指標(biāo)也顯著改變。

2、IBS患者和HC的糞便微生物組和代謝組數(shù)據(jù)的差異

與HC組比較，辛普森的均勻度指標(biāo)顯示IBS患者的腸道微生物α多樣性顯著降低（圖1a-1b）。當(dāng)從不同的分類等級(jí)來(lái)區(qū)分HC和IBS患者時(shí)，兩組之間最好的區(qū)分不是在種水平，而是在科水平（圖1c）。在科水平，通過(guò)使用遞歸特征消除(RFE)，HC和IBS患者之間的區(qū)分可以進(jìn)一步提高到77.3%（AUC）（圖1d）。導(dǎo)致HC和IBS患者這種差異區(qū)分的細(xì)菌主要是圖1e所示的菌群。在¹H-NMR光譜數(shù)據(jù)中，在HC和IBS患者間鑒定到50個(gè)特異性代謝物，基于這些代謝物，HC和IBS患者的區(qū)分可可達(dá)79.5%（AUC）（圖1f）。導(dǎo)致HC和IBS患者這種差異區(qū)分的代謝物如圖1g所示，其中10種代謝物在HC中富集，16種代謝物在IBS中高度富集。

圖1利用不同分類等級(jí)的微生物組和糞便水代謝物區(qū)分HC和IBS

3、多組學(xué)聯(lián)合預(yù)測(cè)區(qū)分HC和IBS

當(dāng)聯(lián)合科水平的微生物群和糞便代謝物共同分析時(shí)，IBS和HC的區(qū)分可高達(dá)83.6%（AUC）（圖2a）。該模型由區(qū)分 HC 和 IBS 患者的微生物家族和代謝物組成（圖2b）。如圖2c所示，與單獨(dú)使用微生物群或代謝物區(qū)分HC和IBS比較，多組學(xué)聯(lián)合可以提供更好的區(qū)分結(jié)果。

圖2多組學(xué)整合預(yù)測(cè)HC與IBS的差異

4、基于糞便微生物群和代謝物以及與臨床和生物學(xué)特征關(guān)系的IBS患者聚類

當(dāng)只考慮IBS患者時(shí)，可以分別根據(jù)糞便微生物群和代謝物，并結(jié)合兩者的組學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別不同的患者群（圖3a-3b）。對(duì)這些聚類進(jìn)行分析，以了解該隊(duì)列中廣泛的臨床和生物學(xué)元數(shù)據(jù)的差異（圖3a），在多次檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，這些差異包括腸易激綜合征癥狀持續(xù)時(shí)間、應(yīng)激引發(fā)的胃腸道癥狀、應(yīng)激事件后腸易激綜合征的發(fā)生、血漿5-羥色胺(5-羥色胺)和5-羥吲哚乙酸、總膳食能量攝入和腹部手術(shù)史（圖3b）。

圖3a基于核t-SNE的無(wú)監(jiān)督聚類

圖3b 臨床標(biāo)志物SVR/SVC的模型重要特征在聚類間有顯著差異

5、代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

為了識(shí)別腸道菌群和相應(yīng)代謝物之間的聯(lián)系，一個(gè)廣泛的代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)被構(gòu)建，其涉及IBS患者中顯著增加和降低的腸道菌群和糞便代謝物（圖4a）。在這幅交互圖中，左側(cè)顯示的是IBS(紫色)和HC(綠色)中增加的微生物家族；通過(guò)中心的酶，連接右側(cè)的糞便水代謝物，右側(cè)是IBS(紫色)和HC(綠色)中增加的代謝物?？梢詮拇藞D推斷糖分解和蛋白水解代謝活性的途徑。第一，丙酸輔酶A轉(zhuǎn)移酶，一種參與脂肪酸合成和氧化的微生物酶，存在于 14 個(gè) IBS 和 13 個(gè) HC 相關(guān)細(xì)菌家族中，可以產(chǎn)生乙酸鹽和乳酸（都是HC較高，圖4b）。輔酶A結(jié)合形式的乙酸或乳酸被釋放，輔酶A結(jié)合形式的丙酸由游離丙酸形成(IBS中較高)。第二，從?；於彼岬孜锂a(chǎn)生天冬氨酸和羧酸鹽的一類普通天冬氨酸?；福▓D4c）。羧酸代謝物甲酸和乙酸可以由該酶介導(dǎo)的反應(yīng)產(chǎn)生。IBS患者糞便中天門(mén)冬氨酸和甲酸含量較高，而HC中乙酸含量較高。第三，在5個(gè)HC和3個(gè)IBS相關(guān)微生物家族中發(fā)現(xiàn)的丙氨酸-乳酸連接酶，使用丙氨酸和乳酸作為底物。然而，IBS中丙氨酸的濃度更高，HC中乳酸的濃度更高。許多酶催化涉及多種代謝物的反應(yīng)，這些反應(yīng)都與IBS或HC有關(guān)。最后，肌肽合酶從底物-丙氨酸和3-甲基組氨酸產(chǎn)生鵝絲氨酸（圖4d）而beta-丙氨酸-組氨酸二肽酶則催化逆反應(yīng)（圖4e）。

圖4在一個(gè)或多個(gè)微生物家族中發(fā)現(xiàn)的酶介導(dǎo)反應(yīng)的代謝物

本研究已確定 IBS 的糞便微生物組-代謝組特征，這與改變的血清素代謝和與胃腸道癥狀相關(guān)的不利應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。與微生物組信息整合的代謝反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)顯示了宿主-微生物組相互作用的途徑。這些結(jié)果支持 IBS 發(fā)病機(jī)制中的微生物-腸-腦聯(lián)系。

參考文獻(xiàn)：

Mujagic Zlatan., Kasapi Melpomeni., Jonkers Daisy Mae., Garcia-Perez Isabel., Vork Lisa., Weerts Zsa Zsa R M., Serrano-Contreras Jose Ivan., Zhernakova Alexandra., Kurilshikov Alexander., Scotcher Jamie., Holmes Elaine., Wijmenga Cisca., Keszthelyi Daniel., Nicholson Jeremy K., Posma Joram M., Masclee Ad Am.(2022). Integrated fecal microbiome-metabolome signatures reflect stress and serotonin metabolism in irritable bowel syndrome. Gut Microbes, 14(1), 2063016. doi:10.1080/19490976.2022.2063016