肠道微生物也就是我们通常所说的“肠道菌群”,这类微生物数量超过人体自身细胞的10倍以上,对消化、营养物质代谢、人体自身发育、免疫及疾病的产生等方面都起到极其重要的作用。大部分肠道微生物是人类的朋友,比如帮人们消化食物,或增强免疫系统功能。但是随着研究深入,研究人员发现体内微生物在许多慢性疾病和症状中,如炎症、肥胖等也起了关键作用。近年来,随着宏基因组测序技术的发展,研究人员越来越开始了解肠道中的微生物。但是除了16SrRNA、宏基因组、宏转录组,您还知道代谢组、蛋白组、短链脂肪酸和离子组对于肠道微生物研究中的应用么?我们将从以下几个经典案例介绍其它组学对于肠道微生物的深入研究,助力您的科研。

肠道菌群代谢产物与免疫条件作用之间的关系

序号 代谢产物Metabolites 相关细菌Related bacteria 免疫调节作用Immunoregulatory functions
1 短链脂肪酸SCFA 对厚壁菌门的梭酸Ⅳ簇和ⅪⅤa簇 丁酸可以诱导CD4+T细胞分化为Treg细胞;乙酸可激活嗜中性粒细胞上的G蛋白偶联受体43(GPR43),抑制或减弱机体的炎症应答
2 胆汁酸Bile acids 乳酸菌、双歧杆菌、肠细菌、拟杆菌和梭菌 胆汁酸受体法尼醇X受体(FXR)可调节宿主肠道的天然免疫反应
3 维生素Vitamins 双歧杆菌 维生素D可促进Th细胞分化,产生特异性抗体
4 多胺Polyamine 空肠弯曲杆菌、化糖梭状芽孢杆菌 高浓度的多胺可以上调IgM、白细胞介素-1β(IL-1β)、TLR、主要组织相容性复合体( MHC) Ⅰα 和 MHCⅡα 等免疫相关基因的表达
5 脂质Lipids 双歧杆菌、罗氏菌、乳酸菌、克雷伯氏菌、肠细菌、柠檬酸细菌和梭菌、 LPS 可与LPS 结合蛋白( LBP) 、CD14 分子结合,形成LPS-LBP-CD14 三联复合物,作用于TLR4 并激活MYD88 依赖性信号通路,刺激T 细胞增生; 共轭脂肪酸( CLA) 可抑制 DC 的激活和Th17 细胞的促炎反应

研究案例

1.西班牙学者揭示抗生素对肠道菌群及代谢影响巨大(多组学)

作者采用多种组学分析相结合的方法分析了使用抗生素治疗14天的患者每天的粪便中肠道菌群的16SrDNA和活化的16SrRNA、宏基因组学、宏转录组学(mRNAs)、宏代谢组学(方法:高效液相色谱与电喷雾电离作用和四极飞行时间质谱分析)、宏蛋白质组学(方法:超高效液相色谱法结合轨道阱质谱分析)。结果观察到了一个动态往复的过程。肠道菌群组成以及代谢水平改变在抗生素使用第6、11、14天最为剧烈。

2.高脂日粮对于小数肠道微环境的影响(多组学)

肠道菌群能够调节机体能量平衡,同样会受到高热量饮食的影响,但具体的机理不是很清楚。该研究中,对喂予高碳水化合物食物(CRAB)和高脂食物(HF)两种食物的小鼠进行多组学研究:

● 1)16sRNA研究肠道微生物群落

● 2)用红外光谱和显微拉曼光谱研究了相关化学特征和细胞形态

● 3)宏蛋白组研究肠道微生物的蛋白谱

● 4)宏代谢组研究肠道微生物的代谢产物

3.饮食对于欧洲和非洲土著儿童肠道微生物环境的比较研究(16sRNA+短链脂肪酸)

肠道微生物的组成取决于不同的饮食习惯,人类群体的不同饮食对于微生物微环境的影响尚未被证明。该研究中,比较了欧洲(EU)和非洲土著(BF)儿童饮食习惯对于肠道微生物的影响。首先进行了16sRNA肠道微生物的鉴定,发现两类人群的肠道微生物具有显著差异,BF的儿童相对于EU儿童拟杆菌显著增加,硬壁菌显著下降。同样该研究发现BF儿童中短链脂肪酸(SCFA)相对于EU儿童有显著增加。研究推测,肠道微生物与BF人群多糖的饮食习惯是共同进化的,使他们能够最大限度地从纤维中摄取能量同时,也保护他们免受炎症和非感染性结肠疾病。

4.人类肠道微生物对于人源化老鼠和无菌老鼠的代谢组学影响(代谢组+16SrRNA)

由于微生物群体预测基因的复杂性和对于群体动态和群体-宿主相互作用的理解的不透彻,目前来说定义宿主相关的微生物微环境的功能状态是具有非常大的挑战的。而代谢组学的方法,恰恰提供了一个有用的记录“指纹”菌群的功能状态的好的方法。在该研究中,采用UPLC-MS的方法通过人源化(HUM)小鼠的尿液和粪便代谢组学模拟了人类的肠道微环境的代谢组学。HUM和常规小鼠的尿液和粪便代谢谱支持了宿主特异性的微生物代谢谱。比较不同人供体(donor)的人源化小鼠的微生物组成,发现不同人供体样本的主要的代谢特征,同样也发现了“个性化特征”。通过喂食老鼠不同的食谱可以改变代谢特征,表明着宿主食谱可以改变肠道微生物功能,这些可以通过代谢谱来监视。

5.海洋蠕虫的宏蛋白组学研究显示了共生微生物揭示了一种新的碳和能力利用的代谢通路(宏蛋白组+宏代谢组)

低营养和能量供应导致了多种进化途径来可以这些缺点,其中共生是其中一种关键的基质。在该研究中,利用了宏蛋白组和宏代谢组研究了Olavius algarvensis这种海洋蠕虫和微生物共生的代谢相互作用。共生代谢网络中

● 1)包括了乙酸、丙酸、琥珀酸和苹果酸这些能量物质

● 2)利用CO作为能源物质

● 3)利用氢作为能源物质

● 4)高表达高亲和力的转运蛋白

● 5)CO2的固定和硫酸盐还原

参与能源和碳吸收高表达的蛋白保护了Olavius algarvensis,表明其环境的贫营养性产生了强大的选择压力用户加强这些共生关系。

6.人类微生物群体宏转录组和宏基因组之间的关系(宏基因组+宏转录组)

虽然人类的肠道微生物组成已经被大量研究,但是微生物群体>800万个基因和之间的调控关系却研究的很少。该研究中第一次提出了整合分类、宏基因组、宏转录组的人类微生物群体的研究。通过口腔和肠道微生物群体的研究,发现一部分的口腔微生物会转移至肠道,但是转录活性比较低。最后系统的比较了肠道微生物的宏基因组和宏转录组,发现大约41%的肠道微生物转录本没有受基因组水平的差异而差异。值得注意的是,宏转录组的水平相比于DNA水平的差异更多的是在个体水平上差异,但是变化程度小于微生物组成,表明了群体之内的全面调控。

1.Ana Elena Perez-Cobas, et al. Gut microbiota disturbance during antibiotic therapy: a multi-omic approach.Gut 2013;62:1591–1601.

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