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聶少平團(tuán)隊(duì)｜菌源代謝物挖掘與膳食營(yíng)養(yǎng)干預(yù)

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年07月09日 05:21

論文概覽

菌源代謝物挖掘與膳食營(yíng)養(yǎng)干預(yù)

聶啟興，張珊珊，陳春華，鄒堅(jiān)橋，聶少平*

南昌大學(xué) 食品科學(xué)與資源挖掘全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)-加拿大食品科學(xué)與技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室江西省生物活性多糖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘要：腸道是一個(gè)復(fù)雜的共生系統(tǒng)，腸道菌群與宿主健康密切相關(guān)。腸道菌通過(guò)產(chǎn)生豐富的代謝物影響宿主的生理功能，這些代謝物作為信號(hào)分子和代謝反應(yīng)的底物在宿主體內(nèi)發(fā)揮作用。腸道菌群失調(diào)影響宿主體內(nèi)菌源代謝物的豐度，通過(guò)破壞宿主靶點(diǎn)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)而影響宿主健康。此外，膳食營(yíng)養(yǎng)組分也能夠塑造腸道菌群，影響菌源代謝水平調(diào)控宿主代謝。本文綜述了國(guó)內(nèi)外研究成果，重點(diǎn)介紹了菌源代謝物的挖掘方法以及相關(guān)的膳食營(yíng)養(yǎng)干預(yù)手段，展望了以菌源代謝物為靶點(diǎn)的代謝性疾病預(yù)防與治療前景，為深入理解腸道菌群在調(diào)控宿主代謝中的作用提供了參考。

腸道是一個(gè)復(fù)雜的共生系統(tǒng)，不僅是人體消化吸收的重要場(chǎng)所，同時(shí)也是最大的免疫器官，在維持正常免疫防御功能中發(fā)揮著極其重要的作用。人體腸道中存在著種類(lèi)繁多的微生物，這些微生物被稱(chēng)為腸道共生菌。腸道共生菌主要包含細(xì)菌、古菌、真菌等，其編碼的基因數(shù)量比人類(lèi)基因組高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，被稱(chēng)為人體的“第二基因組”[1]。腸道共生菌受飲食、環(huán)境、遺傳等多種因素調(diào)控，在訓(xùn)練宿主免疫系統(tǒng)、消化食物、調(diào)節(jié)腸道內(nèi)分泌功能和神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)、改變藥物作用和代謝、消除毒素以及產(chǎn)生影響宿主的多種化合物方面均具有重要作用[2-3]。

根據(jù)近年來(lái)的流行病學(xué)、生理學(xué)和基因組學(xué)等學(xué)科的研究結(jié)果，結(jié)合細(xì)胞研究和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)環(huán)境對(duì)人類(lèi)健康和疾病的影響很大程度上受到腸道共生菌的調(diào)控。大量研究表明多種疾病(如肥胖、2型糖尿病、非酒精性脂肪肝病、結(jié)腸炎和結(jié)腸癌等)的發(fā)生發(fā)展與腸道菌群紊亂密切相關(guān)[4-5]。早在2006年，華盛頓大學(xué)Gordon教授團(tuán)隊(duì)證明肥胖人群腸道菌群多樣性下降，并且發(fā)現(xiàn)將肥胖患者體內(nèi)的腸道菌群移植給無(wú)菌小鼠后可導(dǎo)致小鼠體重顯著增加[6]。這項(xiàng)具有里程碑意義的研究為后續(xù)深入研究腸道微生物發(fā)揮的功能提供了理論基礎(chǔ)，將腸道菌群與宿主能量代謝建立了緊密的聯(lián)系。后續(xù)的流行病學(xué)研究表明，肥胖個(gè)體與正常人群的腸道微生物群存在明顯差異。在物種水平上，凸腹真桿菌(Eubacterium ventriosum)和腸道羅斯拜瑞氏菌(Roseburia intestinalis)的豐度與肥胖呈正相關(guān)，而Oscillospira spp.的豐度與肥胖呈負(fù)相關(guān)[7-9]。我國(guó)的研究人員通過(guò)宏基因組分析也發(fā)現(xiàn)，具有降解谷氨酸能力的多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)在肥胖個(gè)體中的豐度顯著降低，并與血清谷氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)，而給小鼠灌胃B. thetaiotaomicron也能夠改善高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖[10]。腸道菌群與宿主代謝調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。代謝性疾病發(fā)生發(fā)展的過(guò)程中伴隨著腸道菌群失調(diào)，腸道微生物的多樣性和穩(wěn)定性受到破壞，某些特定有益菌的減少和機(jī)會(huì)致病菌的增加會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致宿主代謝紊亂[11]。

腸道菌群失調(diào)會(huì)影響腸道和循環(huán)中的菌源代謝產(chǎn)物含量，增加宿主體內(nèi)脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)水平，引起宿主體內(nèi)的炎癥反應(yīng)。大量研究表明，腸道共生菌通過(guò)產(chǎn)生豐富的代謝物(例如短鏈脂肪酸、膽汁酸、三甲胺等)影響宿主的生理功能，這些代謝物作為信號(hào)分子和代謝反應(yīng)的底物在宿主體內(nèi)發(fā)揮作用[12-15]。例如短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)是腸道微生物發(fā)酵活動(dòng)的主要產(chǎn)物，通過(guò)激活腸內(nèi)分泌細(xì)胞的G蛋白偶聯(lián)受體43 (G protein coupled receptor 43, GPR43)和G蛋白偶聯(lián)受體41 (G protein coupled receptor 41, GPR41)，促進(jìn)胰高糖素樣肽-1 (glucagon-like peptide-1, GLP-1)和酪酪肽(peptide YY, PYY)的分泌[16-17]。此外，乙酸可以穿過(guò)血腦屏障到達(dá)下丘腦，促進(jìn)谷氨酸-谷氨酰胺和γ-氨基丁酸(gamma aminobutyric acid, GABA)神經(jīng)膠質(zhì)循環(huán)，增加乳酸抑制食欲和營(yíng)養(yǎng)吸收；丙酸也可以直接作用于脂肪組織，刺激瘦素的表達(dá)和分泌；丁酸可以通過(guò)抑制下丘腦中表達(dá)神經(jīng)肽Y的食欲刺激神經(jīng)元激活以及腦干孤束核和背側(cè)迷走復(fù)合體內(nèi)神經(jīng)元活性預(yù)防飲食引起的肥胖、肝脂肪變性和胰島素抵抗[18-20]。而肝臟生成初級(jí)膽汁酸后，在腸道中被腸道菌表達(dá)的膽鹽水解酶(bile salt hydrolase, BSH)去結(jié)合后進(jìn)一步被腸道菌代謝生成次級(jí)膽汁酸，通過(guò)影響宿主法尼醇X受體(farnesoid X receptor, FXR)、孕烷X受體(pregnant X receptor, PXR)和G-蛋白偶聯(lián)受體(G protein coupled receptor, GPCR)等受體調(diào)控宿主代謝[21-23]。抑制腸道FXR(例如?；切苋パ跄懰帷⑴；铅率竽懰岬?能夠通過(guò)減少腸源性神經(jīng)酰胺的生物合成，改善高脂誘導(dǎo)的肥胖以及肝臟脂質(zhì)代謝紊亂，而激活腸道和脂肪的Takeda G蛋白偶聯(lián)受體5 (Takeda G protein coupled receptor 5, TGR5)則能夠促進(jìn)腸道GLP-1的產(chǎn)生以及脂肪產(chǎn)熱改善宿主代謝[24-26]。這些結(jié)果均表明菌源代謝物對(duì)于調(diào)節(jié)宿主健康至關(guān)重要。

膳食營(yíng)養(yǎng)組分在塑造腸道菌群方面起著重要作用，包括發(fā)酵碳水化合物和蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)組分、代謝酚類(lèi)和進(jìn)一步修飾小分子代謝物等，進(jìn)而影響菌源代謝物的豐度并調(diào)節(jié)機(jī)體代謝。盡管目前已經(jīng)識(shí)別出多個(gè)對(duì)宿主健康有重要意義的菌源代謝物相關(guān)靶點(diǎn)，但是由于宿主體內(nèi)的代謝反應(yīng)極其復(fù)雜，宿主與腸道菌群以及腸道菌群之間存在高度的相互作用，導(dǎo)致菌源代謝物的挖掘與功能解析仍然是目前研究的難點(diǎn)。本文基于國(guó)內(nèi)外研究成果，重點(diǎn)介紹菌源代謝物的挖掘方法，回顧菌源代謝物在代謝性疾病中的作用及相關(guān)的膳食營(yíng)養(yǎng)干預(yù)手段，展望以菌源代謝物為靶點(diǎn)的代謝性疾病預(yù)防與治療前景。

1 菌源代謝物的挖掘

現(xiàn)代儀器分析技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了代謝組學(xué)的快速發(fā)展，而代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)于菌源代謝物的挖掘至關(guān)重要。微生物群衍生或修飾代謝物的定性定量分析為后續(xù)的宿主-微生物群相互作用與功能驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)，增進(jìn)了對(duì)宿主-微生物群相互作用的理解。當(dāng)前研究主要通過(guò)質(zhì)譜和核磁共振技術(shù)進(jìn)行菌源小分子代謝的分析[27-28]。研究人員通過(guò)腸道菌體外培養(yǎng)、比較正常小鼠與無(wú)菌鼠之間的代謝物差異、代謝物探針菌群孵育/體內(nèi)轉(zhuǎn)化以及基于活性篩選的化合物分離等手段進(jìn)行關(guān)鍵菌源代謝物的挖掘。

1.1 非靶向代謝組

非靶向代謝組是目前廣泛使用的代謝物挖掘方法，該方法旨在檢測(cè)生物樣品中的所有代謝物，揭示生物系統(tǒng)的全貌和代謝動(dòng)態(tài)。非靶向代謝組學(xué)的主要特點(diǎn)是其全面性，能夠同時(shí)檢測(cè)上千種代謝物，這使得研究人員能夠?qū)ι矬w的整體代謝輪廓進(jìn)行分析，從而在海量的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在的生物標(biāo)志物，而不僅僅是關(guān)注特定的代謝物或代謝途徑，有助于揭示生物系統(tǒng)中的新機(jī)制和新功能。通過(guò)與無(wú)菌小鼠的生物樣本進(jìn)行代謝物比較分析，能夠更好地判斷細(xì)菌來(lái)源的代謝物[29-30]。Liu等[31]通過(guò)對(duì)比無(wú)菌(germ free, GF)小鼠和正常(specific pathogen free, SPF)小鼠的肝臟和肝臟線粒體代謝譜，發(fā)現(xiàn)了一種新的菌群相關(guān)代謝物δ-三甲銨基戊內(nèi)鹽；該物質(zhì)能夠由多種腸道菌生成，并能夠通過(guò)減少細(xì)胞肉毒堿和線粒體長(zhǎng)鏈酰輔酶A，抑制線粒體脂肪酸氧化促進(jìn)小鼠肥胖；而補(bǔ)充δ-三甲銨基戊內(nèi)鹽會(huì)進(jìn)一步加劇西式飲食干預(yù)后的GF和SPF小鼠的內(nèi)臟脂肪積累和脂肪肝。而同期發(fā)表在Nature Aging期刊的文章也發(fā)現(xiàn)年輕小鼠的糞便菌群移植給老年小鼠后能夠改善認(rèn)知障礙，代謝組學(xué)分析則表明老年小鼠大腦和血液中的δ-三甲銨基戊內(nèi)鹽水平相比于年輕小鼠顯著升高[32]；進(jìn)一步的人群樣本檢測(cè)也證明了該物質(zhì)與年齡呈正相關(guān)關(guān)系，主要是促進(jìn)內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)突觸傳遞和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)紊亂(自發(fā)抑制性突觸后電流頻率增加)損害小鼠的學(xué)習(xí)和記憶功能。在另一項(xiàng)GF和SPF小鼠不同器官的代謝組分析中，研究人員發(fā)現(xiàn)腸道菌群幾乎影響了所有器官(尤其是腸道)的代謝譜，并且通過(guò)全球天然產(chǎn)物社會(huì)分子網(wǎng)絡(luò)(global natural products social molecular networking, GNPS)分析鑒定出了腸道中3種由菌群產(chǎn)生的氨基酸結(jié)合型膽酸(Phe-cholic acid、Tyr-cholic acid、Leu-cholic acid，氨基酸通過(guò)酰胺鍵連接至膽酸的24號(hào)位)[33]。相比于肝臟中形成的?；悄懰岷透拾蹦懰?，后續(xù)的生物合成通路解析發(fā)現(xiàn)，腸道菌的BSH在膽汁酸代謝中存在一種新功能，即作為一種胺N-?；D(zhuǎn)移酶，其能夠?qū)奉?lèi)與膽汁酸結(jié)合而形成微生物氨基酸結(jié)合膽酸[34-35]。目前為止，隊(duì)列研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微生物氨基酸結(jié)合膽酸在炎癥性腸病和囊性纖維化患者中富集，其中的某些氨基酸結(jié)合膽酸也能夠激活FXR、PXR以及芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor, AhR)，但是其在宿主代謝中發(fā)揮的生理功能仍然有待進(jìn)一步研究[36]。

除了與無(wú)菌小鼠樣本進(jìn)行基于代謝組的比較分析，通過(guò)大隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)菌源代謝物與宿主代謝之間的關(guān)系也是目前常用的研究方法之一。例如2020年美國(guó)克利夫蘭研究中心的Hazen團(tuán)隊(duì)通過(guò)非靶代謝組學(xué)對(duì)1 162例血漿樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)代謝物苯乙酰谷氨酰胺(phenylacetylglutamine, PAGln)水平在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus, T2DM)患者及主要心臟不良事件(major adverse cardiovascular events, MACE)人群中濃度較高，并且在另一個(gè)4 000名受試者的驗(yàn)證隊(duì)列中證實(shí)了血漿中PAGln的濃度可以作為MACE風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)立預(yù)測(cè)因素[37]。腸道菌通過(guò)porA和fldH基因?qū)⑸攀持械谋奖彼徂D(zhuǎn)化為苯乙酸，隨后在人體肝臟中被轉(zhuǎn)化為PAGln，該物質(zhì)作用于GPCRs，包括α2A、α2B和β2-腎上腺素能受體介導(dǎo)一系列的細(xì)胞反應(yīng)，促進(jìn)體內(nèi)血小板聚集和血栓形成[37]。另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)在炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)患者體內(nèi)，5-氨基水楊酸干預(yù)后的藥效在人群中存在差異，通過(guò)代謝組學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)腸道菌能夠?qū)?-氨基水楊酸代謝為多種?；x產(chǎn)物，從而影響其臨床藥效[38]。此外，近期一項(xiàng)研究也提出了反向代謝組的概念，即通過(guò)化學(xué)合成的方法獲得大量含有潛在代謝物的混合體系，隨后通過(guò)非靶代謝組的方法獲得這些化合物的二級(jí)質(zhì)譜圖，再與公共數(shù)據(jù)庫(kù)中的質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，從而推斷出宿主體內(nèi)潛在的代謝物[39-40]。該方法能高通量地豐富研究人員對(duì)現(xiàn)有的生化和代謝模型的認(rèn)知，同時(shí)可以用來(lái)確定潛在的診斷生物標(biāo)志物。

1.2 化學(xué)探針

雖然質(zhì)譜技術(shù)的快速發(fā)展極大提高了代謝組學(xué)檢測(cè)過(guò)程中的靈敏度，但是對(duì)于低豐度代謝物的挖掘仍然存在不足，化學(xué)探針的開(kāi)發(fā)和使用對(duì)于低豐度代謝物的挖掘至關(guān)重要。Garg等[41]設(shè)計(jì)了一種新型的化學(xué)探針，該探針能夠直接從生物樣本中提取氨基酸、單胺類(lèi)化合物等胺類(lèi)代謝物，并在溫和條件下重新釋放代謝物，進(jìn)行質(zhì)譜分析；該方法顯著提高了胺類(lèi) 化合物的檢測(cè)范圍，并且在糞便樣品中鑒定出4種未知的代謝產(chǎn)物，表明該探針在挖掘未知菌源代謝物中的潛力。而在另一項(xiàng)研究中，研究人員也通過(guò)構(gòu)建修飾在磁珠上的化學(xué)選擇性探針實(shí)現(xiàn)了含羰基代謝物的高通量檢測(cè)，該方法可在飛摩爾和埃摩爾級(jí)別同時(shí)檢測(cè)人群糞便、尿液和血漿樣品中的200多種代謝物[42]。這一類(lèi)探針的使用旨在增加代謝物檢測(cè)過(guò)程中的靈敏度。

相比于上述化學(xué)探針，代謝物炔基探針結(jié)合點(diǎn)擊化學(xué)方法則主要在于挖掘被進(jìn)一步代謝或修飾的新型代謝物。蛔苷是線蟲(chóng)生命代謝過(guò)程中的一種重要代謝物，Hoki等[43]構(gòu)建了以蛔苷為基礎(chǔ)的炔基探針，并在線蟲(chóng)培養(yǎng)過(guò)程中加入該探針，經(jīng)過(guò)線蟲(chóng)代謝后收集樣本結(jié)合點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)挖掘出了線蟲(chóng)對(duì)蛔苷的新型代謝形式。膽汁酸在調(diào)節(jié)宿主代謝、分子信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中起著重要作用，其組成的變化與代謝性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)?；诖?，研究人員構(gòu)建了膽汁酸炔基探針，進(jìn)一步通過(guò)腸道菌孵育，結(jié)合非靶向代謝組學(xué)，尋找新型的菌源膽汁酸[44] (圖1)。通過(guò)將膽酸24號(hào)位置的炔基探針置于培養(yǎng)基中進(jìn)行腸道菌孵育，推測(cè)膽酸除羧基之外的其他位置或活性基團(tuán)能夠被腸道菌進(jìn)行修飾，進(jìn)一步形成新型的菌源膽汁酸；膽酸探針經(jīng)腸道菌孵育后，對(duì)代謝物進(jìn)行萃取，進(jìn)一步使用樹(shù)脂對(duì)探針代謝物進(jìn)行富集，隨后收集探針代謝物進(jìn)行點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，并進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析；膽汁酸探針的優(yōu)勢(shì)在于樹(shù)脂對(duì)探針代謝物的富集以及形成m/z為100.076 1的探針報(bào)告離子，基于該報(bào)告離子能夠快速地對(duì)探針代謝物進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)GNPS分子網(wǎng)絡(luò)二級(jí)質(zhì)譜相似性，推測(cè)可能的膽酸衍生物；通過(guò)該方法挖掘了一系列的?；懼?，并且解析了其生物合成通路，闡明了琥珀酰膽酸(3-succinylated cholic acid, 3-sucCA)在緩解代謝相關(guān)脂肪性肝炎中的機(jī)制。除此之外，代謝物炔基探針也能夠結(jié)合流式分選技術(shù)進(jìn)行代謝物互作細(xì)菌的篩選及其下游代謝物的識(shí)別[45-47]。這類(lèi)方法的開(kāi)發(fā)極大地促進(jìn)了新型菌源代謝物的深入挖掘，也推動(dòng)了微生物組學(xué)和代謝組學(xué)的研究進(jìn)展。

圖1 膽酸探針結(jié)合點(diǎn)擊化學(xué)挖掘新型菌源膽酸代謝物 alkCA：膽酸炔基探針；CuAAC：銅催化疊氮-炔環(huán)加成；LC-HRMS：液相色譜串聯(lián)高分辨質(zhì)譜。

Figure 1 Gut microbiota-associated bile acid screening by click-chemistry based enrichment strategy. alkCA: Alkyne probe of CA; CuAAC: Copper(I)-catalyzed azide-alkyne cycloaddition; LC-HRMS: Liquid chromatography coupled with high resolution mass spectrometry.

1.3 化合物分離

化合物分離是進(jìn)行菌源代謝物挖掘的重要手段之一。Huo等[48]發(fā)現(xiàn)Candida metapsilosis M2006B能夠通過(guò)激活腸FXR緩解結(jié)腸炎，但是不依賴(lài)于腸道中的膽汁酸；研究人員進(jìn)一步大規(guī)模制備了Candida metapsilosis M2006B的發(fā)酵液進(jìn)行代謝物提取，并且通過(guò)制備高效液相色譜分離獲得了13個(gè)代謝物組分；隨后通過(guò)熒光素酶報(bào)告基因檢測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)代謝物組分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)代謝物F4和F5能夠顯著激活FXR，并且基于核磁共振和高分辨質(zhì)譜對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)解析，最終發(fā)現(xiàn)Candida metapsilosis M2006B能夠通過(guò)產(chǎn)生無(wú)環(huán)倍半萜類(lèi)化合物激活腸FXR緩解結(jié)腸炎。另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)摩氏摩根菌(Morganella morganii)能夠產(chǎn)生一種新型的基因毒素indolimines破壞小鼠腸道通透性，加劇結(jié)腸腫瘤生成[49]。在該代謝物的挖掘過(guò)程中，研究人員通過(guò)基于摩氏摩根菌的小規(guī)模發(fā)酵結(jié)合生物活性篩選(DNA損傷)的引導(dǎo)分離以及超高效液相色譜串聯(lián)飛行時(shí)間質(zhì)譜的非靶向代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)潛在活性組分，然后進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)和分離并進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定和遺傳毒性分析，最終鑒定出該基因毒素。此外，本課題組前期研究也發(fā)現(xiàn)腸缺氧誘導(dǎo)因子2α (hypoxia inducible factor-2α, HIF-2α)特異性敲除小鼠腸內(nèi)容物提取的代謝物對(duì)普通擬桿菌(Bacteroides vulgatus)的生長(zhǎng)具有明顯抑制作用，但是對(duì)扭鏈瘤胃球菌(Ruminococcus torques)的生長(zhǎng)沒(méi)有影響[50]。進(jìn)一步，基于提取物對(duì)普通擬桿菌生長(zhǎng)的影響，研究人員利用高效液相色譜、核磁共振等多種色譜及光譜技術(shù)對(duì)小鼠腸內(nèi)容物進(jìn)行了活性代謝產(chǎn)物分離及結(jié)構(gòu)鑒定，最終確定乳酸是腸HIF-2α促進(jìn)普通擬桿菌生長(zhǎng)的關(guān)鍵活性成分[50]。

2 菌源代謝物與宿主健康

人體腸道微生物受到膳食、年齡、藥物干預(yù)等多重因素的影響，在這些因素的推動(dòng)下產(chǎn)生膽汁酸、短鏈脂肪酸、氨、酚類(lèi)、內(nèi)毒素多種代謝物。這些菌源代謝物是介導(dǎo)微生物-宿主交流的重要媒介，對(duì)于維持宿主生理病理狀態(tài)至關(guān)重要[51-52]。反之，腸道微生物相關(guān)的代謝譜變化也可以一定程度上反映宿主的飲食方式或生理變化。此外，基于基因組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)的多組學(xué)手段也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于菌源代謝物的功能研究，其中膽汁酸、吲哚衍生物、維生素等菌源代謝物已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)能夠影響宿主代謝[53]。

色氨酸是一種必需氨基酸，只能通過(guò)飲食來(lái)源獲得。色氨酸的代謝主要包括犬尿氨酸、5-羥色胺和吲哚這3種途徑。其中腸道菌群能夠直接將色氨酸代謝為吲哚、吲哚衍生物和色胺等代謝物，這些物質(zhì)能夠激活A(yù)hR，進(jìn)一步通過(guò)調(diào)節(jié)促炎和抗炎細(xì)胞因子的表達(dá)維持宿主免疫穩(wěn)態(tài)和腸道屏障功能[54-55]。早在2018年，研究人員就通過(guò)代謝組學(xué)手段發(fā)現(xiàn)在代謝綜合征患者和相關(guān)的動(dòng)物模型中腸道AhR配體的水平明顯低于對(duì)照組，并且腸道菌群代謝色氨酸生成AhR配體的能力也顯著降低[56]。給代謝綜合征小鼠補(bǔ)充AhR激動(dòng)劑Ficz，或者進(jìn)行羅伊氏乳桿菌干預(yù)能夠有效改善腸道屏障功能、減少系統(tǒng)性炎癥，并且促進(jìn)GLP-1分泌，進(jìn)一步改善代謝綜合征小鼠的糖代謝和脂肪肝。隨后的大量研究也表明腸道菌產(chǎn)生的吲哚衍生物通過(guò)激活A(yù)hR能夠有效調(diào)控宿主腸道免疫改善宿主健康[57-59]。例如吲哚-3-甲醛(indole-3-carboxaldehyde, 3-IAld)能夠通過(guò)激活A(yù)hR/IL-22軸維持腸上皮屏障完整性和抑制炎癥反應(yīng)，緩解小鼠的結(jié)腸炎癥狀；同時(shí)，3-IAld也會(huì)影響小鼠腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能，導(dǎo)致糖發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)SCFAs的細(xì)菌豐度增加[60]。多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)干預(yù)也能夠提高吲哚-3-乙酸(indole-3-acetic acid, IAA)和吲哚-3-丙酸(indole-3-propionic acid, IPA)的水平，并通過(guò)激活A(yù)hR和增強(qiáng)Treg細(xì)胞功能來(lái)抑制腸道炎癥[61]。此外，腸道菌產(chǎn)生的吲哚衍生物也能夠進(jìn)入宿主循環(huán)，激活宿主外周組織的AhR信號(hào)影響宿主代謝[62-63]。例如，缺乏亮氨酸的飲食可改變腸道菌群組成，其中類(lèi)球布勞特氏菌(Blautia coccoides)的豐度顯著增加。B. coccoides能夠?qū)⑸彼岽x為IAA，腸道的IAA進(jìn)一步進(jìn)入宿主外周循環(huán)，激活肝臟中的AhR改善高脂飲食小鼠的胰島素敏感性[62]。

腸道菌能夠產(chǎn)生/修飾脂肪酸影響宿主穩(wěn)態(tài)。SCFAs是目前研究最為廣泛的代謝物之一，主要包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。膳食纖維無(wú)法被宿主消化吸收，攝入后被腸道菌降解產(chǎn)生SCFAs，并且SCFAs的產(chǎn)生類(lèi)型和含量也與膳食纖維的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)密切相關(guān)[64-65]。目前SCFAs影響宿主健康相關(guān)的機(jī)制研究主要涉及SCFAs調(diào)控的3種受體GPCR41、GPCR43和GPCR109A，通過(guò)對(duì)相關(guān)GPCR基因缺陷小鼠的研究，已經(jīng)明確了SCFAs信號(hào)通過(guò)這些受體在調(diào)控炎癥和腸道穩(wěn)態(tài)中的重要性，但這些受體在不同細(xì)胞類(lèi)型上的功能作用目前仍然有待進(jìn)一步解析[66]。丁酸和煙酸已經(jīng)被證明可以通過(guò)激活腸GPCR109a影響巨噬細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞的抗炎效果，并進(jìn)一步改善腸道穩(wěn)態(tài)[67-68]。而在腸內(nèi)分泌細(xì)胞中，丁酸能夠誘導(dǎo)食欲調(diào)節(jié)激素PYY和GLP-1的釋放，促進(jìn)胰島素的產(chǎn)生改善血糖穩(wěn)態(tài)[69]。而乙酸也能夠通過(guò)增加下丘腦的谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)和γ-氨基丁酸神經(jīng)膠質(zhì)循環(huán)誘導(dǎo)厭食信號(hào)[20]。相比于短鏈脂肪酸，腸道菌也能產(chǎn)生中鏈和長(zhǎng)鏈脂肪酸影響宿主健康。例如糞腸球菌(Enterococcus faecalis)能夠通過(guò)酰基輔酶A硫酯酶(acyl-CoA thioesterases, ACOT)產(chǎn)生代謝物肉豆蔻油酸激活肥胖小鼠的棕色脂肪產(chǎn)熱改善肥胖[70]。相比之下，腸道梭單胞菌(Fusimonas intestini)能夠產(chǎn)生反油酸，該物質(zhì)能夠損傷腸道完整性并促進(jìn)飲食誘導(dǎo)的肥胖[71]。另有研究表明，腸道菌能夠?qū)営退?linoleic acid, LA)轉(zhuǎn)化為共軛亞油酸(conjugated linoleic acid, CLA)，CLA會(huì)進(jìn)一步通過(guò)免疫調(diào)控影響鼠傷寒沙門(mén)氏菌感染[72]。

維生素是人體六大營(yíng)養(yǎng)素之一，既不參與構(gòu)成宿主細(xì)胞，也不為人體提供能量，但通過(guò)參與人體內(nèi)的生化反應(yīng)調(diào)節(jié)宿主代謝。腸道菌群具有顯著的合成和利用B族維生素的能力，然而營(yíng)養(yǎng)不良兒童表現(xiàn)出腸道微生物B族維生素合成能力降低的趨勢(shì)[73-74]。研究人員使用同位素示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)宿主來(lái)源的煙酰胺(nicotinamide, NAM)可進(jìn)一步被腸道菌轉(zhuǎn)化為煙酸(nicotinic acid, NA)并維持正常的循環(huán)水平[75]。同時(shí)本課題組的研究也發(fā)現(xiàn)狄氏副擬桿菌(Parabacteroides distasonis)可通過(guò)產(chǎn)生煙酸激活腸GPCR109a受體保護(hù)腸屏障功能并改善胰島素抵抗，并且最終也通過(guò)獨(dú)立的驗(yàn)證隊(duì)列和公共數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)重分析驗(yàn)證了P. distasonis的豐度和糞便煙酸的水平與胰島素抵抗存在負(fù)相關(guān)[76]。另一項(xiàng)研究表明，女性腸道菌中維生素B2和B6合成能力比男性更強(qiáng)，而維生素B9和B12生物合成能力與年齡呈負(fù)相關(guān)，并且腸道菌群維生素產(chǎn)生能力與血糖相關(guān)因子、脂質(zhì)、循環(huán)炎癥有密切關(guān)系[77]。此外，特定的腸道菌(乳桿菌、雙歧桿菌等)能將膳食維生素A轉(zhuǎn)化為視黃醇等相關(guān)的活性代謝物(包括全反式維甲酸和13順式維甲酸)，其中全反式維甲酸對(duì)于維持腸道免疫和改善腸道炎癥至關(guān)重要[78-80]。

3 膳食營(yíng)養(yǎng)組分調(diào)控菌源代謝物

腸道菌群對(duì)于宿主健康至關(guān)重要，通過(guò)飲食調(diào)節(jié)腸道菌群來(lái)改善人體健康的方法也已經(jīng)受到大眾的認(rèn)可。大量研究已經(jīng)表明膳食多糖、低聚糖、多酚等植源性物質(zhì)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群，進(jìn)一步通過(guò)菌源活性代謝物的產(chǎn)生影響宿主健康(圖2)。

圖2 膳食組分調(diào)節(jié)細(xì)菌代謝物

Figure 2 Regulation of gut microbiota-derived metabolites by dietary compounds.

3.1 膳食纖維

膳食纖維是日常膳食中調(diào)節(jié)代謝的重要功效成分之一，無(wú)法被宿主消化吸收，在腸道中被腸道菌降解進(jìn)而影響其組成和功能，對(duì)于維持宿主正常的生理功能至關(guān)重要。膳食纖維結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類(lèi)繁多，由于其來(lái)源和結(jié)構(gòu)的多樣性，對(duì)腸道菌存在差異化的影響，產(chǎn)生不同的活性代謝物影響宿主代謝和生理狀態(tài)[81]。在一項(xiàng)隨機(jī)雙盲、安慰劑對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)可消化的玉米淀粉和抗性土豆淀粉不影響腸道中SCFAs的產(chǎn)生，而抗性玉米淀粉能夠增加直腸真桿菌(Eubacterium rectale)的豐度產(chǎn)生丁酸，抗性木薯淀粉能夠促進(jìn)狄氏副擬桿菌(Parabacteroides distasonis)的增殖產(chǎn)生丙酸[82]。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)鐵皮石斛來(lái)源的葡甘露聚糖能夠促進(jìn)腸道共生菌P. distasonis的增殖，通過(guò)產(chǎn)生煙酸激活腸GPCR109a軸改善腸道屏障功能緩解胰島素抵抗；而魔芋來(lái)源的葡甘露聚糖則是通過(guò)富集腸道的卵圓形擬桿菌(Bacteroides ovatus)，產(chǎn)生IAA激活腸芳香烴受體改善腸道屏障功能和胰島素抵抗[76,83]。這 2種葡甘露聚糖的結(jié)構(gòu)差異主要在于乙?；暮浚虼诉@種差異化的分子機(jī)制以及對(duì)腸道功能細(xì)菌的特異性富集提示不同結(jié)構(gòu)或來(lái)源的膳食纖維對(duì)于宿主生理狀態(tài)的影響至關(guān)重要。在另一項(xiàng)研究中，Wei等巧妙利用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，發(fā)現(xiàn)一系列的13C標(biāo)記的腸道菌(即利用菊粉的細(xì)菌)以及13C標(biāo)記的菌源代謝物，其中P. distasonis產(chǎn)生的長(zhǎng)鏈脂肪酸十五烷酸能夠通過(guò)修復(fù)腸道黏膜屏障功能抑制非酒精性脂肪性肝炎的發(fā)展[84]。相比于腸道菌群產(chǎn)生的物質(zhì)，腸道細(xì)菌也能夠影響膳食組分中代謝物的釋放。在無(wú)菌小鼠中定殖14株腸道共生菌后給小鼠飲食中添加柑橘纖維，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在小鼠糞便中檢測(cè)到大量的N-甲基血清素。進(jìn)一步的研究表明，B. ovatus能夠通過(guò)調(diào)控PL9等碳水化合物活性酶(carbohydrate-active enzymes, CAZyme)將柑橘纖維分解，進(jìn)一步釋放其中的N-甲基血清素，并且該物質(zhì)能夠影響小鼠的肥胖、新陳代謝和腸道運(yùn)動(dòng)[85]。此外，也有大量研究聚焦膳食纖維對(duì)SCFAs產(chǎn)生菌的影響，通過(guò)提升SCFAs的水平影響宿主健康[86-88]。這些結(jié)果表明膳食纖維能夠影響腸道中菌源代謝物的水平，通過(guò)多種途徑調(diào)控宿主代謝。

3.2 酚類(lèi)物質(zhì)

酚類(lèi)化合物是植物中分布最廣的次生代謝產(chǎn)物之一，是植源性食物(如水果、蔬菜、谷物、咖啡和茶飲料)的主要活性成分之一。目前已經(jīng)在高等植物中鑒定出數(shù)千種多酚化合物，其中在食用植物中發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種[89-90]。人體攝入多酚后，少部分非糖基化酚醛化合物如單體黃烷- 3-醇、原花青素二聚體(游離酚)等可被小腸吸收，經(jīng)過(guò)氧化、還原和水解，在腸細(xì)胞和肝細(xì)胞中參加生物轉(zhuǎn)化，形成一系列的水溶性共軛代謝物迅速釋放進(jìn)入體循環(huán)進(jìn)而分配到各器官或以尿液形式排出[91]。大部分多酚以結(jié)合酚(比例為90%–95%)的形式存在，無(wú)法被消化吸收，而是在腸道中被微生物進(jìn)行代謝[92-93]。同時(shí)，攝入多酚后也會(huì)改變腸道菌群的組成，選擇性促進(jìn)某些細(xì)菌的生長(zhǎng)，抑制有害菌的生長(zhǎng)，并且還會(huì)改變腸道微生物的代謝表達(dá)，從而調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)促進(jìn)宿主健康[94-95]。

大豆異黃酮是豆類(lèi)中重要的一種生物活性物質(zhì)，天然形式的大豆異黃酮主要以糖苷的形式存在，生物利用度低。近期研究表明腸道中的陰道乳桿菌(Lactobacillus vaginalis)能夠產(chǎn)生β-半乳糖苷酶，將食物中糖甙形式的大豆異黃酮轉(zhuǎn)化生成游離形式的黃豆苷元，進(jìn)一步靶向抑制肝細(xì)胞Fdps基因表達(dá)，激活肝細(xì)胞AKT-GSK3β-Nrf2信號(hào)軸，抑制肝臟細(xì)胞鐵死亡，保護(hù)對(duì)乙酰氨基酚(acetaminophen, APAP)誘導(dǎo)的急性肝損傷[96]。果蔬調(diào)控宿主代謝的機(jī)制通常都?xì)w因于其中酚類(lèi)物質(zhì)的抗氧化活性。在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)黃酮改善宿主代謝的益處部分取決于腸道微生物的代謝。黃酮能夠被腸道珀氏解黃酮菌(Flavonifractor plautii)代謝生成4-羥基苯乙酸(4-hydroxyphenylacetic acid, 4-HPAA)，該物質(zhì)能夠通過(guò)激活肝臟腺苷單磷酸活化蛋白激酶α，調(diào)控脂肪酸氧化和脂肪從頭合成改善高脂誘導(dǎo)的肝臟脂肪變性[97]。而另一項(xiàng)研究也表明，多甲氧基黃酮干預(yù)顯著增加了B. ovatus的豐度，以腸道菌群依賴(lài)的方式降解腸道和循環(huán)中的支鏈氨基酸水平并改善高脂誘導(dǎo)的代謝紊亂[98]。此外，普洱茶中的茶褐素也能夠影響腸道菌群結(jié)構(gòu)，降低BSH活性相關(guān)細(xì)菌的豐度，增加回腸結(jié)合型膽汁酸水平，從而抑制腸內(nèi)FXR-FGF15信號(hào)通路，導(dǎo)致肝臟膽汁酸生成和糞便排泄增加，降低肝臟膽固醇水平和脂肪生成[99]。

3.3 其他膳食組分

除了膳食纖維和酚類(lèi)物質(zhì)外，其他植源性物質(zhì)或提取物也能夠通過(guò)調(diào)控菌源代謝物影響宿主代謝。Quan等[70]發(fā)現(xiàn)使用人參提取物干預(yù)小鼠后顯著改善了小鼠的肥胖狀態(tài)和腸道菌群組成，其中腸道糞腸球菌(Enterococcus faecalis)豐度顯著增加。糞腸球菌主要是通過(guò)激活脂肪產(chǎn)熱途徑改善肥胖，并且進(jìn)一步的研究也證明該菌通過(guò)ACOT產(chǎn)生的代謝物肉豆蔻油酸(myristoleic acid，MA，一種不飽和長(zhǎng)鏈脂肪酸)，激活肥胖小鼠的棕色脂肪產(chǎn)熱以及誘導(dǎo)米色脂肪的形成減少脂肪囤積，改善肥胖。另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)卡姆果提取物(camu camu, CC)能通過(guò)激活小鼠棕色脂肪組織產(chǎn)熱和促進(jìn)能量消耗預(yù)防高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠體重增加和肝臟脂肪變性；補(bǔ)充CC改變了小鼠的腸道菌群組成(增加了嗜黏蛋白阿克曼氏菌的豐度，減少了乳桿菌的豐度)，并且增加了小鼠血漿中次級(jí)膽汁酸和游離型膽汁酸的豐度，可能是次級(jí)膽汁酸進(jìn)一步激活脂肪TGR5促進(jìn)產(chǎn)熱介導(dǎo)的代謝改善作用[100]。此外，中國(guó)科學(xué)院微生物所劉宏偉教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于活性天然產(chǎn)物與腸道菌群領(lǐng)域的研究，并取得了一系列的突破性進(jìn)展[101]。例如發(fā)現(xiàn)靈芝雜萜衍生物(ganoderma meroterpene derivative, GMD)干預(yù)能夠通過(guò)減輕內(nèi)毒素血癥、增強(qiáng)脂質(zhì)氧化和減少脂質(zhì)生成緩解fa/fa大鼠的非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease, NAFLD)表型[102]；后續(xù)的機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)GMD顯著富集了參與葉酸生物合成的解木聚糖擬桿菌(Bacteroides xylanisolvens)、多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)、單形擬桿菌(Bacteroides uniformis)和多氏擬桿菌(Bacteroides dorei)的豐度，通過(guò)葉酸合成基因folp生成葉酸激活相關(guān)腸-肝信號(hào)通路改善NAFLD。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)的研究還發(fā)現(xiàn)GDM能夠改善動(dòng)脈粥樣硬化小鼠的糖脂代謝和動(dòng)脈硬化。GDM顯著增加了糞副擬桿菌(Parabacteroides merdae)的豐度，通過(guò)porA基因降解腸道支鏈氨基酸(branched-chain amino acid, BCAA)，抑制動(dòng)脈斑塊巨噬細(xì)胞mTORC1通路的激活進(jìn)而改善動(dòng)脈粥樣硬化[103]。

4 結(jié)論與展望

腸道菌群通過(guò)產(chǎn)生或修飾各種代謝物影響宿主代謝，包括免疫、發(fā)育以及新陳代謝在內(nèi)的多種生理功能。目前這一研究領(lǐng)域在其基礎(chǔ)和轉(zhuǎn)化層面仍然存在巨大挑戰(zhàn)。雖然研究人員已重點(diǎn)關(guān)注腸道菌群對(duì)整體功能性代謝的影響，但仍有許多問(wèn)題有待深入探索，包括對(duì)宿主體內(nèi)大量尚未知曉的菌源代謝物進(jìn)行注釋?zhuān)瑢?duì)來(lái)自宿主、微生物和飲食來(lái)源的化合物或其混合來(lái)源的區(qū)分方法，宿主與菌群共代謝過(guò)程中菌群代謝物的貢獻(xiàn)等。此外，膳食營(yíng)養(yǎng)干預(yù)引起了整體微生物組的變化，如何有效識(shí)別其中的關(guān)鍵功能菌并進(jìn)行驗(yàn)證仍然是研究過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前為止，只有極少數(shù)的研究得到了驗(yàn)證并用于指導(dǎo)人群干預(yù)或臨床實(shí)踐，未來(lái)的研究仍然需要進(jìn)一步將微生物組數(shù)據(jù)與其他組學(xué)數(shù)據(jù)和生物臨床變量結(jié)合，深入解析腸道菌發(fā)揮功能的機(jī)制。

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