肠道微生物在人类代谢健康与疾病中的作用

Gut microbiota in human metabolic health and disease

Nature Reviews Microbiology [IF: 34.648]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41579-020-0433-9

发表日期：2020-09-04

作者单位：Novo Nordisk基础代谢研究中心，哥本哈根大学，丹麦哥本哈根（Novo Nordisk Center for Basic Metabolic Research, University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark）
（https://cbmr.ku.dk/staff_overview/pedersen-group/?pure=en/persons/68112）

第一作者：范勇，2017年博士毕业于中国药科大学；2017-2018年美国哥伦比亚大学Naomi Berries糖尿病研究中心博士后；2018至今，丹麦哥本哈根大学Novo Nordisk基础代谢病研究中心博士后研究员，入选欧盟“玛丽居里学者”计划。现主要研究方向为人类肠道微生物组与代谢稳态。以第一作者在Nature Reviews Microbiology，Journal of American College of Cardiology等期刊发表多篇论文。

通讯作者：Oluf Pedersen，哥本哈根大学诺和诺德基础代谢病研究中心主任，分子代谢与代谢基因组学教授。主持了欧盟MetaHIT, MetaCardis, IMI-DIRECT等多项大型代谢异常人群队列基因组学及肠道宏基因组学研究。作为通讯作者，在New England Journal of Medicine; Nature; Nature Reviews Microbiology; Nature Biotechnology; Nature Microbiology; Nature Communications; Nature Protocols等期刊发表研究论文100余篇，Web of Science总引用次数71,985，个人h-index为110 （Google学术统计引用15.5万次，H指数135），详情请见课题组主页 https://cbmr.ku.dk/staff_overview/pedersen-group/

一、背景介绍

目前的流行病学、病理学、组学、细胞和动物研究结果揭示肠道内的微生物在相当大的程度上介导了人们的代谢健康和疾病风险。这些寄生在人身体各种腔体内的微小生物的合集我们称之为微生物，包含数目庞大的细菌、真菌、噬菌体、真核病毒和真菌。它们中的大部分为共生或互生微生物。一个人的所有肠道微生物基因（即微生物组）的集合代表了一个遗传库，该库的基因数目比人类基因组高一个数量级。大部分的微生物居住在人类的肠道内，并受到分娩方式、喂养方式、生活方式、药物和宿主遗传的影响。肠道微生物组在提高宿主免疫力、食物消化、肠道内分泌功能和神经信号调节、药物功能和代谢、内毒素清除和影响宿主代谢相关物质的产生等方面扮演重要角色。

过去二十年间，来自观察性研究的结论让人们自然地联想到肠道菌群可能会对宿主的代谢稳态产生影响，紊乱的肠道菌群会导致多种常见代谢病的发生，包括肥胖、2型糖尿病、非酒精性肝病、代谢性心脏病和营养不良等。为了获得对肠道菌群影响宿主代谢的机理性理解，研究人员的视角已经从传统描述性的菌群组成分析转移到因果关系的探究上。除了已报道的相关性结果之外，整合各类型人群高通量多组学数据，如宏基因组、代谢组等，以及宿主生理学表型特征和临床、动物、细胞模型的实验结果，正在为阐明肠道菌群在人类代谢病所扮演的角色发挥越来越重要且支撑性的作用。在此文中，研究人员深入讨论了菌群以及来源于菌群的物质如何介导代谢病的发生发展，同时还强调了靶向肠道菌群的代谢病治疗方法。研究人员总结了肠道菌群研究领域的一些瓶颈问题，并对未来肠道菌群的基础和转化研究的发展提出了展望。

知识点1：用于剖析肠道微生物和代谢健康关系的工具

Box 1 Tools for dissecting gut microbiota–metabolic health associations

目前，研究人员对探索肠道微生物群和相关的粪便、血液和尿液代谢组作为代谢健康和各种代谢疾病的决定因素的潜在作用产生极大的兴趣。鸟枪法测序技术的最新进展、测序成本的降低以及生物信息学手段的进步使人们能够更全面地了解肠道微生物群落及其功能潜力。同样，各种灵敏和精确的技术可以用来分析体液的代谢组变化。作者总结了一些报道的被应用于揭示肠道微生物组和各种代谢组之间关系的策略。

微生物组关联研究

微生物组间关联研究方法在很大程度上类似于全基因组关联研究，在与表型（通常是疾病状态）相关的病例对照研究中识别遗传变异。在微生物组间关联研究中，对从肠道或粪便样本中纯化出来的微生物DNA进行基于鸟枪法测序，将鉴定和组装的基因进行整合，以构建交叉采样的非冗余微生物基因集。通过对单个样品中匹配序列进行计数，可以确定每个基因的丰度。应用各种生物信息学算法和相关系数，将微生物组数据中的组装基因聚类到特定的组，例如宏基因组连锁组，宏基因组物种，共丰度基因组或宏基因组物种全基因组。然后提取单个样品分别比对到上述组里及其重叠群的序列，随后组装成高质量的基因组草图，每个基因组均已定义，作为一个物种或一组高度相关的物种。

最近，在肠道微生物群中定义菌株水平的特征也成为可能。这些工具包括基于对已测序的微生物菌株的核心基因组应用单核苷酸变异分析的StrainPhlan、基于物种特异性高变位点的MetaMLst和基于泛基因组分析的MetaPanPhlan。然而，这些方法过度依赖于参考基因组的覆盖率和质量。菌株水平分析的结果仍然需要通过获得含有目标细菌的纯培养物进行验证。此外，与健康或疾病状态的关联可以通过单个微生物基因、分类群或微生物功能潜力模块来表征。诸如监督式机器学习或随机森林之类的分类器可用于将每个样本分配给某个类别。

微生物组和相关代谢组的整合分析

肠道细菌可以产生各种生物活性代谢产物，这些代谢产物可以通过吸收进入肠肝循环而进入宿主的血液。与疾病表型相关的特定代谢物可以通过基于粪便、血浆、尿液或其他生物体液的质谱或核磁共振代谢组学进行鉴定，从而能够对微生物组、代谢组和宿主表型进行联合分析，以确定潜在的机制联系。该分析流程至少包括四个步骤：首先，如上所述，基于与具有已知功能特征的蛋白质的序列相似性，可以通过将基因序列比对到KEGG的基因和基因组功能模块中来构建其功能潜力的微生物基因。第二步是对显示共丰度的代谢物进行聚类，对代谢组学数据进行降维处理，因为代谢物通常由共同的途径形成，这些途径可以由前体基因调节。基于基因表达分析的加权基因共表达网络分析，可以对共丰度代谢产物进行聚类。下一步是对相关的基因簇和代谢物进行非参数统计检验。最后，由一个或多个物种的相互作用来评估一个或多个物种之间的相互关系。这些特定代谢物与流行基因簇之间的相关性分析可能会便于鉴定出特定物种，这些物种具有产生疾病相关代谢物前体所需的基因，该疾病相关代谢物由肠道菌群或由宿主和肠道菌群共同产生。

知识点2：研究肠道微生物成分因果关系的推荐流程

Box 2: A framework to study causality of gut microbial components

补充图1a

为了从微生物组-疾病的关联发展到研究特定疾病中微生物组的功能，需要进行额外的实验来探索微生物组分与目标疾病之间的潜在因果关系。使用鸟枪法测序和非靶向（全局但半定量的）代谢组学分析方法分析受影响和对照个体的生物样本，以确定不同生物流体中存在丰度差异的微生物特征或分子（见图a部分）。在非靶代谢组学研究中，分析物的特征基于其保留时间和其质荷比（m/z值）。通过核磁共振波谱或将碎片行为和保留时间与合成参考标准相匹配，可以明确新化合物的鉴定。

补充图1b

进一步进行微生物组和代谢组数据集整合分析，以获取候选生物合成基因簇（BGCs）、细菌或与代谢物高度相关的群落。为了确定目标化合物是否以微生物群依赖的方式产生，可以使用三重四极杆质谱法对无菌小鼠和对照小鼠的样本进行靶向（即，经常以定量方式验证定义明确的代谢物）分析（见图b部分）。此外，传统的抗生素治疗小鼠拯救肠道菌群也可以明确肠道菌群在产生特定化合物方面的作用。当使用多反应监测模式来靶向捕获候选分析物时，第一个四极杆（Q1）和最后一个四极杆（Q3）都设置为特定质量，只允许对来自某个前体的离子碎片进行不同裂解模式的监测，从而提高检测灵敏度。当将选定的反应监控应用于一个或多个前体离子的多种产物离子时，该模式称为多反应监控。

补充图1c

人类肠道微生物组群数据和微生物衍生化合物可用于选择候选BGC、微生物物种或与特定化合物产生相关的微生物群落（见图c部分）。降维是通过将编码次生代谢物途径的生物合成酶的基因聚集在一起，结合基因的丰度相似性，以及聚集在特定生态环境中的共出现的微生物来实现的。可以以比较有针对性的方式分析具有参考BGC，微生物物种或微生物群落的无菌小鼠的表型特征，以检查目标化合物的丰度变化。

补充图1d

为了确定微生物衍生化合物可能参与的下游信号通路，可以构建转基因小鼠模型来观察由于失去活性的下游效应而引起的微生物来源化合物的变化（见图d部分）。

知识点3：微生物-改变干预措施

Box 3: Microbiota-changing interventions

补充图2

由于从流行病学和实验研究中获得的关于肠道微生物群对代谢健康影响的知识呈指数级增长，人们对肠道微生物群受损人群中的靶向和非靶向干预措施产生了兴趣（见上图）。

非靶向干预饮食或运动干预

在啮齿动物中，饲喂各种营养成分会改变肠道微生物组和新陈代谢。特别是高饱和脂肪喂养会导致内毒素血症和胰岛素抵抗。有关膳食脂肪对人体肠道微生物影响的研究显示，高饱和或单不饱和脂肪的饮食对微生物群有负面影响，而多不饱和脂肪的饮食似乎是中性的。同样，高多糖饮食干预导致肠道微生物群改变，与短链脂肪酸的粪便，血清或尿液浓度增加，体重减轻以及细胞因子和代谢组的改善有关。此外，增加体育锻炼的干预措施已显示出肠道微生物组的适应性变化，在某些情况下，可以增强乳酸、支链氨基酸的分解能力，增加合成短链脂肪酸和改善心肺适应度和胰岛素敏感性的潜力。

益生菌、益生元或微生物益生素干预

双歧杆菌、乳酸杆菌和酵母菌作为安全的益生菌有着悠久的历史。对健康人短期随机对照试验的系统评价显示，益生菌对肠道微生物组成没有一致的影响。一些不易消化的多糖称为益生元，改变了啮齿类动物结肠中发酵微生物群的相对丰度，并诱导改善肠道屏障功能，在某些情况下改善新陈代谢。不同的益生菌菌株和益生元的组合也是如此，通常称之为微生物益生素，其代表巴氏杀菌的益生菌或具有促进健康作用的微生物菌株的一部分。

异种和自体粪便微生物群移植

目前尚不清楚异种粪便微生物群移植是否会成为预防或治疗代谢失衡的一种选择。挑战包括缺乏关于饮食对粪便移植物定殖和存活的重要性、供体粪便的最佳厌氧处理、供者和受体之间的免疫相容性、以及噬菌体和真菌在粪便微生物群移植成功中的作用的相关知识。同时，有必要检查在代谢性疾病（即儿童或青少年时期的粪便样本生物库）发生前储存的复杂性较低的自体粪便微生物菌群移植的可行性和功效。

生物工程药物靶向干预肠道微生物

目前尚不确定卫生和药物管理局或消费者是否可接受将携带微生物基因的转基因生物带入人体肠道。通过提供定制药物靶向特定的微生物合成代谢产物是优化代谢的另一个新兴潜在领域。由于大多数噬菌体和古细菌病毒分别对细菌和古细菌菌株具有特异性，因此它们可能会在未来的实验中应用于代谢紊乱患者中针对微生物组的营养不良部分。同样，目前尚不清楚是否可以将CRISPR-Cas用于编辑和重置人类肠道微生物组的营养不良部分而不会对宿主造成不良影响。

二、何为健康的肠道菌群？

由于不同人口，种族，性别，年龄和健康状况的个人之间存在巨大差异，目前尚不存在能够促进宿主代谢健康的人类肠道菌群的“黄金标准”。流行病学研究必须针对情境因素的控制或针对情境差异进行调整。

代谢健康的微生物群和营养不良之间的平衡至关重要。体内平衡是由多种因素维持的，如宿主基因、饮食、每日排便次数、体力活动、吸烟和药物使用。

图1 饮食对肠道菌群和宿主代谢的影响

Fig. 1 impact of diet on gut microbiota and host metabolism.

一个代谢健康的微生物群（主要通过高纤维、低动物脂肪和低动物蛋白饮食实现）被阐明（图a）。这些不易消化但可发酵的多糖被肠道微生物群代谢，并被发酵产生一系列化合物，并刺激肠黏液层和强大的屏障功能。微生物产生短链脂肪酸（SCFAs）为结肠细胞提供了额外的能量来源，并导致管腔pH值降低。SCFAs醋酸盐、丁酸盐和丙酸盐可与肠内分泌L细胞上表达的G蛋白偶联受体（GPCR）-41和GPCR-43结合，随后诱导胰高血糖素样肽1（GLP-1）和肽YY（PYY）的分泌，从而增加能量消耗，减少食物摄入，改善葡萄糖代谢和胰岛素分泌。丁酸盐是过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）的激活剂，也是肠道β-氧化和耗氧量的刺激剂，维持肠腔的厌氧环境。

高动物脂肪和蛋白质饮食、久坐不动的生活、吸烟、饮酒和相对不经常排便引起的微生物营养不良可能导致粘膜渗漏，肠道和全身炎症以及SCFA的产生减少，从而导致L细胞分泌的肠道激素减少。在发酵过程中，复合蛋白首先被各种细菌肽酶，蛋白酶和内肽酶裂解，释放出游离氨基酸和短肽，然后进行发酵。由于蛋白质发酵的增加，会产生支链脂肪酸（BCFA；2-甲基丁酸，异丁酸和异戊酸）、三甲胺、有机酸、气体（H₂S，H₂和CO₂）和微量的酚、胺、吲哚和氨，从而导致管腔pH值增加。总体而言，微生物环境和代谢物的此类变化会导致病原体相关分子模式（PAMP）泄漏，包括在血液中增加的脂多糖（LPS），并引发全身性低度炎症和胰岛素抵抗。

三、代谢疾病肠道菌群紊乱特征

接着，研究人员讨论了肠道菌群与肥胖、T2D、代谢性肝病和心脏代谢疾病的关系，据报道，与健康人相比，受影响的肠道菌群的多样性通常减少，与传统生活方式的人相比更是如此。下图是与代谢性疾病相关的肠道微生物组学特征概述。

图2 一些与常见代谢疾病有关的肠道微生物分类学和功能学特征

Fig. 2 Some of the reported intestinal microbial taxonomic and functional features linked to common metabolic disorders.

上图总结了多项涉及代谢疾病的紊乱细菌种类和功能特征。但是请注意，研究之间的结果有所不同。宏基因组学研究的关联结果已被总结。除其在代谢疾病中的指导外，还列出了选定的微生物分类学特征。该列表并不全面涵盖所有已更改的分类学或功能特征，但代表了整个研究中观察到的常见模式。

四、影响机体代谢的肠道菌群信使

大量的报告表明，肠道微生物组分类和功能潜能的破坏与许多病理表型有关。大多数对人类和动物的研究都是观察性的，缺乏实验数据。然而，正如人类肠道微生物群的基因库所揭示的那样，数万亿的共生菌是一个巨大的化学工厂，可以合成许多自身生存和与宿主生存所需的化合物。

图3 微生物信使调节宿主代谢

Fig. 3 Microbial messengers regulate host metabolism.

该图中，研究人员对一些能影响宿主能量稳态、肥胖、炎症、血糖调节，胰岛素敏感性和激素分泌的肠道微生物化合物进行了总结。肠道的厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)发酵膳食纤维会产生丁酸、丙酸和乙酸这些短链脂肪酸（SCFA），它们通过作用于肠内分泌细胞表达的G蛋白偶联受体（GPCR）以多种方式影响宿主代谢。乙酸和丁酸刺激胰高血糖素样肽1（GLP-1）和肽YY（PYY）释放，并影响胰腺（GLP-1诱导的胰岛素生物合成）和大脑（PYY引起的饱腹感），而乙酸可以通过诱导生长素释放肽的分泌来增强脂肪储存。微生物衍生的琥珀酸驱动解偶联蛋白1（UCP1）的表达，从而增加脂肪组织中的生热作用。但是，琥珀酸对脂多糖激活的巨噬细胞具有促炎作用，因此可能有助于脂肪组织炎症和胰岛素抵抗。脂多糖（LPS）是源自革兰氏阴性细菌膜的促炎化合物，可促进炎症。一级胆汁酸被肠道菌群转化为二级胆汁酸，二级胆汁酸通过TGR5受体发挥作用，促进GLP-1的释放，增强脂肪组织的生热作用。肠道菌群通过代谢膳食磷脂酰胆碱和左旋肉碱产生三甲胺（TMA）。TMA在肝脏中被含有黄素的单加氧酶（FMO）氧化为三甲胺N-氧化物（TMAO），从而导致动脉粥样硬化。咪唑丙酸（Imidazole propionate）是一种由组氨酸衍生的细菌代谢产物，可导致胰岛素抵抗。

在高脂饮食的状态下，肠道细菌衍生的支链氨基酸（BCAA）与人类和啮齿动物的胰岛素抵抗相关。其他细菌代谢物（例如吲哚及其衍生物）与芳烃受体（AhR）结合。吲哚丙酸与改善的胰岛素分泌和胰岛素敏感性以及降低的2型糖尿病风险有关。肠细菌产生N-酰基酰胺，这是一种内源性大麻素模拟物，通过与G蛋白偶联受体119（GPR119）结合来调节宿主的葡萄糖代谢。肠道细菌分泌的蛋白质也会调节旁分泌或内分泌作用。ClpB是大肠杆菌分泌的一种蛋白质，参与食欲的调节。大肠杆菌的黑皮质素样肽（MECO-1）是刺激黑色素细胞和激素的结构和功能类似物，通过哺乳动物的黑皮质素-1受体（MC1R）发挥作用，抑制细胞因子释放以响应促炎刺激反应。在肠道中，促炎性变化涉及增加细胞因子（例如IL-1β和IL-18）的产生，以及减少IL-10和IL-22。表达于Akkermansia muciniphila外膜上的Amuc_1100通过Toll样受体2（TLR2）增强了杯状细胞密度，改善了肠屏障功能，部分概括了活的A. muciniphila细菌对能量代谢和胰岛素敏感性的有益作用。宿主代谢还受到肠道细菌合成的神经递质（即儿茶酚胺、组胺、γ-氨基丁酸和5-羟色胺）或气态神经递质（NO和H2S）的影响。

五、结论和展望

如研究人员在文中所述，肠道菌群相关的基础和转化研究领域目前尚处于一个稚嫩的时期，为了解读肠道菌群对代谢的整体作用，我们需要克服很多挑战，包括如何注释代谢组学研究中成百上千未知代谢物、如何确认代谢物的来源，肠道菌群来源？宿主来源？宿主-肠道菌群共有来源？现今的研究大部分为肠道菌群的一个观察快照，而并未详细探究肠道微生物的短期和长期动态演变。除此之外，目前的肠道菌群研究对公共卫生和临床实践的指导性尚未较多体现。为了实现上述目标，概念和方法学的创新以及多组学和临床表型研究的整合已刻不容缓。

肠道微生物群的复杂性令人望而生畏。未来，基于测序和培养的肠道微生物检测，结合肠道菌群、古菌群、噬菌体组、病毒组和分枝菌群的机理研究，将以指数级的提升我们对肠道微生物群落相互作用的认识。此外，重要的是，肠道微生物组产生影响宿主生理学和多种病理学的多种化学物质，有关这些化学物质的新知识可能会为我们开辟出新的有效代谢性疾病的干预途径，为稳定全人类的代谢健康，预防或对抗常见的人类代谢疾病，提供更多的治疗依据。

参考文献

Yong Fan & Oluf Pedersen. (2020). Gut microbiota in human metabolic health and disease. Nature Reviews Microbiology, doi: https://doi.org/10.1038/s41579-020-0433-9

编译：范勇 哥本哈根大学

责编：卢洪叶 北京大学

审核：刘永鑫 中科院

猜你喜欢

• 10000+: 菌群分析
  宝宝与猫狗 提DNA发Nature 实验分析谁对结果影响大  Cell微生物专刊 肠道指挥大脑
• 系列教程：微生物组入门 Biostar 微生物组  宏基因组
• 专业技能：生信宝典 学术图表 高分文章 不可或缺的人
• 一文读懂：宏基因组 寄生虫益处 进化树
• 必备技能：提问 搜索  Endnote
• 文献阅读 热心肠 SemanticScholar Geenmedical
• 扩增子分析：图表解读 分析流程 统计绘图
• 16S功能预测   PICRUSt  FAPROTAX  Bugbase Tax4Fun
• 在线工具：16S预测培养基 生信绘图
• 科研经验：云笔记  云协作 公众号
• 编程模板: Shell  R Perl
• 生物科普: 肠道细菌 人体上的生命 生命大跃进  细胞暗战 人体奥秘  

写在后面

为鼓励读者交流、快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”专业讨论群，目前己有国内外5000+ 一线科研人员加入。参与讨论，获得专业解答，欢迎分享此文至朋友圈，并扫码加主编好友带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍末解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

学习扩增子、宏基因组科研思路和分析实战，关注“宏基因组”

点击阅读原文，跳转最新文章目录阅读
https://mp.weixin.qq.com/s/5jQspEvH5_4Xmart22gjMA