近期，发表在《Cell Host & Microbe》IF=30.3上的论文将微生物基因与血浆和粪便代谢物联系起来，揭示了溃疡性结肠炎病程中的宿主-微生物相互作用。
文章内容要点
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该研究整合了多组学方法，以识别与炎症疾病相关的微生物及其产物。
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研究使用了PROTECT队列中治疗初治儿童患者的样本，跟踪了疾病的严重程度、炎症状态和疾病缓解，并直接将它们与生产与病原体有关的未注释的微生物分子和宿主-微生物相互作用联系起来。
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通过对治疗初治儿童患者样本的研究，揭示了肠道微生物群落与炎症疾病之间的复杂相互作用，为寻找治疗炎症疾病的新方法提供了新思路。
图1 图形摘要
研究思路和分析方法
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研究对象：
不同溃疡性结肠炎疾病严重程度的初治儿童患者
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样本类型：
粪便、血浆样本
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测序手段：
宏基因组+代谢组+培养组学
图2 分析流程
主要结果
1、 PROTECT队列捕获了整个UC疾病严重程度谱中未接受治疗的儿童患者的微生物组
作者首先通过多组学分析发现，治疗前的UC患者存在显著的微生物组和代谢物变化。在肠道微生物组方面，治疗前的UC患者肠道微生物组与健康人相比具有明显的差异，其中某些细菌的数量明显增加，而其他细菌则减少。在代谢物方面，治疗前的UC患者存在大量的代谢物变化，其中包括一些重要的生物活性物质如氨基酸、脂类和糖类等。
作者进一步分析了微生物组和代谢物之间的关系。他们发现在治疗前的UC患者中，肠道微生物组和代谢物之间存在着密切的关系。
图3 PROTECT队列概述及微生物组与疾病进展的纵向关联
2、 在中度/重度疾病的重度炎症期间发生粪便和血浆代谢物耗竭
为了探究疾病潜在的异常宿主-微生物互动，研究发现在粪便和血浆中存在与炎症和疾病相关的代谢物变化。研究中，中度/重度疾病患者的粪便和血代谢物多样性明显比非活动性疾病患者少（参考图4A）。粪便代谢物剖面变化与肠道微生物多样性密切相关，而血浆代谢物变化则随着疾病严重度而趋于集中（参见图4B）。
图4 与粪便和血浆中中度/重度疾病相关的代谢紊乱
3、二肽水平和微生物组介导的BA修饰在中度/重度疾病中发生了显著变化
在中度/重度疾病中，二肽和微生物介导的BA修饰发生了显著变化。一些代谢物在中度/重度疾病中的粪便中含量不同，包括二肽和共轭型BA。本研究使用了105种二肽标准库来鉴定系统性增加的二肽在中度/重度疾病中的数量，包括Pro-Ala/Ala-Pro、Val-Pro和Pro-Gly（图5A）。在显著改变的二肽中，93%在中度/重度疾病中富集，85%与粪便钙蛋白呈正相关（图5A）。
图5 在中度/重度疾病中，参与色氨酸代谢的代谢物的二肽、结合胆汁酸（BAs）的水平发生了变化
4、单物种培养组学谱证实了粪便中微生物代谢物的关联，并反映了中度/重度疾病的代谢变化
本研究使用培养组学技术来探索与疾病相关的微生物与代谢物之间的关联，作为概念验证，特别关注了V.p.，这是炎症肠道中增加最显著的微生物之一。并且，其丰度与富集的疾病代谢物之间显示出最显著的对应关系（见图6A）。此外，为了确定可能导致炎症严重程度的V.p.衍生的生物活性化合物，本研究进行了进一步分析，检测了在粪便和培养物中发现的1,469种代谢物。同时，还发现V.p.上清中的许多脂质变化与中度/重度疾病有显著相关性。
图6 V. parvula培养的代谢组学特征再现了微生物-代谢物的关联
图7 疾病富集脂质片段化揭示了来自V.p.培养物的多种脂肪酸酰胺
5、在炎症条件下，Veillonella代谢嘌呤和免疫调节硫化嘌呤。
Veillonella菌株分析进一步鉴定出潜在的嘌呤代谢能力（图8A），提示Veillonella数量增加与疾病中嘌呤代谢物耗竭之间可能存在联系。
为了验证Veillonella基因与嘌呤代谢物耗竭之间的联系，研究测量了V.p.在SKN、SKL或SKLN培养基中对嘌呤和尿酸的消耗。实验表明，V.p.能够代谢嘌呤（图8B）。本研究构建了一株缺乏潜在的黄嘌呤脱氢酶基因xdhA和pucD的V.p.突变株，这些基因参与氧化嘌呤代谢（图8C），并发现这两个基因的宏基因组丰度在中重度疾病患者中显著高于无症状患者（图8D）。
此外，本研究表明V. p.显著降低了两种巯基嘌呤的水平（图8F）。在中度/重度疾病和炎症期间大量存在Veillonella可能会降低硫嘌呤的治疗效果。
图8 V. parvula培养的代谢组学特征证实了其代谢嘌呤和硫嘌呤的硝酸盐依赖性能力
参考文献
Linking microbial genes to plasma and stool metabolites uncovers host-microbial interactions underlying ulcerative colitis disease course. Cell Host & Microbe, 2024.
