研究材料：肥胖、消瘦參與者的糞便樣本

技術方法：代謝組學、宏基因組學、代謝建模

技術路線：

文章摘要圖

1.宏基因組學分析結果

作者通過BMI將實驗者分為瘦組（19≤BMI≤24.9）和肥胖組(MBI≥30)，兩個實驗組在脂肪含量、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。作者通過宏基因對肥胖組和瘦組的腸道菌群進行分析，發現肥胖組菌群中，Ruminococcus bromii顯著富集，而瘦體質組中富集了有益菌如Faecalibacterium prausnitzii和Bifidobacterium longum（圖1A）。但兩組組內都存在一定的個體差異。將單個樣本糞便樣本混合后，混合樣本依舊顯示相似的結果（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的個體差異，可以作為分析膳食纖維干預的穩定起點。圖1D-E顯示，蘋果、果膠、纖維素處理前后24h的細菌組成差異，結果顯示蘋果果膠在調節腸道微生物群方面表現出最強的效果，在兩種體質的微生物群中 Bifidobacterium豐度均顯著增加了。NMDS顯示膳食纖維對菌群多樣性和組成的顯著調節作用。

圖1 不同供體樣本的微生物組成

2.膳食纖維對代謝物的影響

作者比較了膳食纖維對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，膳食纖維干預后兩類代謝物變化不明顯，提示著區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菌群，而瘦體質菌群中的丁酸（BA）濃度則顯著高于肥胖菌群。在蘋果果膠處理下，瘦體質菌群的丁酸濃度達到最高值，顯示果膠對瘦體質菌群的顯著益處（圖3A-B）。瘦體質菌群的Log(BA/HA)比值顯著高于肥胖菌群，因此Log(BA/HA)比值可作為區分瘦體質和肥胖菌群代謝特性的潛在標志物（圖3C）。三種膳食纖維處理后，蘋果果膠對瘦體質和肥胖菌群均有調節作用，但其對瘦體質菌群的丁酸生成能力具有更顯著的促進效果。針對肥胖群落的代謝失衡，特定膳食纖維（如果膠）可能通過調節菌群代謝而提供潛在的干預策略。

圖2 特定飼養條件下暴露24小時后，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比

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

3.膳食纖維對胖瘦體質微生物物種和代謝物的影響

作者對膳食纖維處理前后的微生物組成和代謝物進行差異分析，通過火山圖（4A-C）顯示，瘦體質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，表明其對肥胖菌群具有調節作用。代謝物方面，瘦組經過蘋果處理顯著提高了吲哚代謝物；胖組經過果膠處理顯著提高了短鏈脂肪酸（如乙酸、丙酸）的生成，同時減少了某些氨基酸（如甲硫氨酸和酪氨酸）。

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

4.多組學數據整合

作者為了全面解析膳食纖維對菌群及代謝物的影響，研究結合了宏基因組數據和代謝組數據。采用了兩種多組學整合分析方法，分別是Procrustes分析和DIABLO分析。Procrustes分析結果顯示，瘦體質和肥胖菌群基因功能（KOs）s和代謝組之間表現出高一致性，說明基因功能與代謝產物密切相關。DIABLO整合分析揭示了不同膳食纖維對菌群代謝特性和關鍵代謝途徑的獨特影響。蘋果處理主要調節多糖代謝途徑，增強短鏈脂肪酸生成；蘋果果膠對氨基酸代謝影響顯著，特別是增強色氨酸代謝途徑，增加吲哚代謝物的生成（如IPA），對腸道健康有益；纖維素處理通過多糖降解相關途徑（如PelE）促進短鏈脂肪酸生成，但影響較為局限（圖5A-F）。

圖5 飼養條件與肥胖微生物群落之間的判別特征區分

5.Megasphaera sp.的基因挖掘和代謝模型重組

作者通過使用基因組挖掘工具GutSMASH發現Megasphaera sp. MJR8396C的基因組中含有兩種與氮代謝和氨基酸發酵相關的基因簇，這表明其可能具有類似于梭菌的代謝特性，能夠發酵氨基酸。此外，使用CarveMe工具構建了Megasphaera sp. MJR8396C的基因組規模代謝模型(GSM)。在模擬的腸道環境中，研究了其在24小時內的生長及代謝行為。通過在BacArena中對Megasphaera sp.與Bifidobacterium adolescentis的共培養進行了動態代謝通量分析，揭示了兩者之間的交叉喂養機制（圖6C-D）：第一種機制：Megasphaera利用由Bifidobacterium產生的富馬酸，而Bifidobacterium則從Megasphaera中受益于硫化氫和氨的產生。第二種機制：Megasphaera利用Bifidobacterium分泌的乙酸和乳酸，同時向Bifidobacterium提供甲酸和氨。

圖6 模擬24小時分批發酵過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機制