研究材料：肥胖、消瘦參與者的糞便樣本

技術(shù)方法：代謝組學(xué)、宏基因組學(xué)、代謝建模

技術(shù)路線：

文章摘要圖

1.宏基因組學(xué)分析結(jié)果

作者通過(guò)BMI將實(shí)驗(yàn)者分為瘦組（19≤BMI≤24.9）和肥胖組(MBI≥30)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組在脂肪含量、蛋白攝、可溶纖維、多不/飽和脂肪酸、鐵離子的攝入都存在顯著差異。作者通過(guò)宏基因?qū)Ψ逝纸M和瘦組的腸道菌群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)肥胖組菌群中，Ruminococcus bromii顯著富集，而瘦體質(zhì)組中富集了有益菌如Faecalibacterium prausnitzii和Bifidobacterium longum（圖1A）。但兩組組內(nèi)都存在一定的個(gè)體差異。將單個(gè)樣本糞便樣本混合后，混合樣本依舊顯示相似的結(jié)果（圖1B），但肥胖組混合樣本的Firmicutes：Bacteroidets的比例提高暗示著混合樣本不能完全替代真是的腸道微生物群落。使用NMDS降維顯示（圖1C）混合樣本聚類較為緊密，更大程度的減少組內(nèi)的個(gè)體差異，可以作為分析膳食纖維干預(yù)的穩(wěn)定起點(diǎn)。圖1D-E顯示，蘋果、果膠、纖維素處理前后24h的細(xì)菌組成差異，結(jié)果顯示蘋果果膠在調(diào)節(jié)腸道微生物群方面表現(xiàn)出最強(qiáng)的效果，在兩種體質(zhì)的微生物群中 Bifidobacterium豐度均顯著增加了。NMDS顯示膳食纖維對(duì)菌群多樣性和組成的顯著調(diào)節(jié)作用。

圖1 不同供體樣本的微生物組成

2.膳食纖維對(duì)代謝物的影響

作者比較了膳食纖維對(duì)微生物代謝物的影響，支鏈氨基酸（BCAAs）和支鏈脂肪酸（BCFAs）方面（圖2A-B），瘦型微生物群：在所有條件下（控制、蘋果、果膠和纖維素），BCAAs 的濃度顯著高于肥胖組；肥胖組在所有條件下，BCFAs 濃度均顯著高于瘦組，膳食纖維干預(yù)后兩類代謝物變化不明顯，提示著區(qū)分兩類代謝物的主要因素是微生物群落的差異而非膳食纖維。肥胖菌群中六酸（HA）的濃度顯著高于瘦體質(zhì)菌群，而瘦體質(zhì)菌群中的丁酸（BA）濃度則顯著高于肥胖菌群。在蘋果果膠處理下，瘦體質(zhì)菌群的丁酸濃度達(dá)到最高值，顯示果膠對(duì)瘦體質(zhì)菌群的顯著益處（圖3A-B）。瘦體質(zhì)菌群的Log(BA/HA)比值顯著高于肥胖菌群，因此Log(BA/HA)比值可作為區(qū)分瘦體質(zhì)和肥胖菌群代謝特性的潛在標(biāo)志物（圖3C）。三種膳食纖維處理后，蘋果果膠對(duì)瘦體質(zhì)和肥胖菌群均有調(diào)節(jié)作用，但其對(duì)瘦體質(zhì)菌群的丁酸生成能力具有更顯著的促進(jìn)效果。針對(duì)肥胖群落的代謝失衡，特定膳食纖維（如果膠）可能通過(guò)調(diào)節(jié)菌群代謝而提供潛在的干預(yù)策略。

圖2 特定飼養(yǎng)條件下暴露24小時(shí)后，消瘦和肥胖微生物群落中支鏈氨基酸和支鏈脂肪酸濃度對(duì)比

圖3 不同飼養(yǎng)條件對(duì)消瘦和肥胖微生物群落中己酸（HA）和丁酸（BA）濃度，以及l(fā)og(BA/HA)比值的影響

3.膳食纖維對(duì)胖瘦體質(zhì)微生物物種和代謝物的影響

作者對(duì)膳食纖維處理前后的微生物組成和代謝物進(jìn)行差異分析，通過(guò)火山圖（4A-C）顯示，瘦體質(zhì)菌群在蘋果和果膠處理后，有益菌（如Bifidobacterium longum）顯著增加，而某些菌種（如Faecalibacterium prausnitzii）減少；肥胖菌群中Akkermansia muciniphila在蘋果和果膠處理后顯著增加，表明其對(duì)肥胖菌群具有調(diào)節(jié)作用。代謝物方面，瘦組經(jīng)過(guò)蘋果處理顯著提高了吲哚代謝物；胖組經(jīng)過(guò)果膠處理顯著提高了短鏈脂肪酸（如乙酸、丙酸）的生成，同時(shí)減少了某些氨基酸（如甲硫氨酸和酪氨酸）。

圖4 膳食纖維補(bǔ)充后，肥胖與消瘦微生物群落中富集的代謝產(chǎn)物與物種與對(duì)照組的比較

4.多組學(xué)數(shù)據(jù)整合

作者為了全面解析膳食纖維對(duì)菌群及代謝物的影響，研究結(jié)合了宏基因組數(shù)據(jù)和代謝組數(shù)據(jù)。采用了兩種多組學(xué)整合分析方法，分別是Procrustes分析和DIABLO分析。Procrustes分析結(jié)果顯示，瘦體質(zhì)和肥胖菌群基因功能（KOs）s和代謝組之間表現(xiàn)出高一致性，說(shuō)明基因功能與代謝產(chǎn)物密切相關(guān)。DIABLO整合分析揭示了不同膳食纖維對(duì)菌群代謝特性和關(guān)鍵代謝途徑的獨(dú)特影響。蘋果處理主要調(diào)節(jié)多糖代謝途徑，增強(qiáng)短鏈脂肪酸生成；蘋果果膠對(duì)氨基酸代謝影響顯著，特別是增強(qiáng)色氨酸代謝途徑，增加吲哚代謝物的生成（如IPA），對(duì)腸道健康有益；纖維素處理通過(guò)多糖降解相關(guān)途徑（如PelE）促進(jìn)短鏈脂肪酸生成，但影響較為局限（圖5A-F）。

圖5 飼養(yǎng)條件與肥胖微生物群落之間的判別特征區(qū)分

5.Megasphaera sp.的基因挖掘和代謝模型重組

作者通過(guò)使用基因組挖掘工具GutSMASH發(fā)現(xiàn)Megasphaera sp. MJR8396C的基因組中含有兩種與氮代謝和氨基酸發(fā)酵相關(guān)的基因簇，這表明其可能具有類似于梭菌的代謝特性，能夠發(fā)酵氨基酸。此外，使用CarveMe工具構(gòu)建了Megasphaera sp. MJR8396C的基因組規(guī)模代謝模型(GSM)。在模擬的腸道環(huán)境中，研究了其在24小時(shí)內(nèi)的生長(zhǎng)及代謝行為。通過(guò)在BacArena中對(duì)Megasphaera sp.與Bifidobacterium adolescentis的共培養(yǎng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)代謝通量分析，揭示了兩者之間的交叉喂養(yǎng)機(jī)制（圖6C-D）：第一種機(jī)制：Megasphaera利用由Bifidobacterium產(chǎn)生的富馬酸，而Bifidobacterium則從Megasphaera中受益于硫化氫和氨的產(chǎn)生。第二種機(jī)制：Megasphaera利用Bifidobacterium分泌的乙酸和乳酸，同時(shí)向Bifidobacterium提供甲酸和氨。

圖6 模擬24小時(shí)分批發(fā)酵過(guò)程中微生物代謝物變化，以及使用BacArena模擬的兩種物種之間的交叉喂養(yǎng)機(jī)制