Gut|素食者和杂食者中的比较代谢组学揭示对依赖膳食的肠道微生物群代谢物的抑制

Comparative metabolomics in vegans and omnivores reveal constraints on diet-dependent gut microbiota metabolite production

素食者和杂食者中的比较代谢组学揭示对依赖膳食的肠道微生物群代谢物的抑制

研究背景

在影响肠道微生物群的诸多因素中，饮食因其对健康的潜在影响而备受关注。多种疾病状态与肠道微生物群多样性的减少有关，这是肠道菌群失调的一个标志，因此通过饮食改变或其他方式逆转肠道菌群失调可有助于维持健康或治疗疾病。饮食为大量小分子的产生提供了底物，这些小分子在肝脏的首次代谢后，在系统循环可能对宿主的生理产生不同的影响。产生的特定分子受到底物可用性、产物丰度、微生物基因活性和其他机制的调控，而这些机制并不容易从微生物基因丰度的简单量化中推断出来。因此，肠道微生物群的分类信息，甚至全基因组分析，可能不足以预测一个复杂微生物群落的代谢组。在这里，我们以健康的素食者和杂食者为研究对象，研究饮食对肠道菌群和宿主代谢组的影响。

研究材料

15名素食者和16名杂食者，素食者至少使用纯素食6个月，每名受试者在1周内完成3次24h的样本收集，包括粪便、空腹血液和尿液样本。

技术平台

16sRNA,LC/MS,GC/MS,NMR,ELISA

研究思路

采用16sRNA和代谢组学，比较素食者和杂食者的膳食摄入量、肠道微生物群组成和血浆代谢组学。

研究结果

将155种大量和微量营养元素合并为主成分后，杂食者和素食者的膳食摄入量明显分离（图1A）。素食者比杂食者消耗更多的碳水化合物，但蛋白质较少（图1B）。

图1

通过对2组的粪便样本进行16sRNA测序，发现2组的序列数据差异不大（图2B），组间多样性和均匀性的差异不显著（图2C），因此，在美国东北部城市环境中采样的杂食者和纯素食者肠道菌群的差异相当有限。

图2

在361个代谢物中，杂食者和素食者血浆中92个代谢物浓度存在差异（q<0.05，图3A）。杂食者中检测到的144个脂质中的30种脂质，88种氨基酸代谢物中的22种显著升高。47种异生物质中的11种在素食者中显著升高。

使用RF分类法，根据饮食划分受试者体内的代谢物类别。基于30个代谢物组成的模型，大致分为6大类（氨基酸、碳水化合物、辅因子和维生素、脂类、核苷酸和异生物质），预测准确率为94%（图3B）。杂食者的血浆代谢组，相对于纯素食者，尤其反映了肉类和脂肪摄入量的差异，表明饮食对宿主代谢组有直接影响。

对肠道菌群产生的尿液代谢物进行靶向定量分析，发现杂食者和素食者之间存在明显分离（图3C）。

图3

与杂食者相比，素食者血浆中维生素及抗坏血酸、黄原素代谢产物、苯甲酸代谢产物等植物性代谢物含量升高。其中一些反映了素食者的植物性饮食（图1B）。有28种代谢物在素食者中更为丰富，这些代谢物中大约三分之一是由肠道微生物产生的。例如植物中多酚化合物是由苯甲酸代谢产生（图4）。在纯素食者中，一些提示绿原酸细菌代谢的代谢物，包括马尿酸、硫酸儿茶酚和3-羟基马尿酸，以及其他可能的多酚肠道共代谢产物，如4-羟基马尿酸、4-乙基苯基硫酸盐和4-乙烯酚硫酸盐均有所增加。

图4

生活在西方社会的人的粪便的短链脂肪酸（SCFA）和甲烷产量低于生活在传统农业社会的人。这些差异是由于多糖降解菌群的增加以及作为细菌发酵底物的不可消化纤维消耗量的增加造成的。而在本研究中杂食者和素食者的短链脂肪酸和甲烷水平并无明显区别。

植物雌激素被认为有许多健康益处。雌马酚是一种植物雌激素，是大豆食品中高浓度异黄酮代谢的副产品。杂食者消耗相对较少的植物雌激素前体，在血浆中未检测到雌马酚。相比之下，素食者消耗更更多的植物雌激素前体来产生雌马酚（图5）。在素食者中，异黄酮的消耗略高于在血浆中检测到的雌马酚，但是该趋势并没有统计学显著性。以上还表明，底物和微生物代谢能力共同决定血浆中检测到的共代谢物。

图5

研究意义

1. 独立于饮食的环境因素可能在形成肠道微生物群的组成方面发挥关键作用，而这些环境因素反过来又会影响从饮食和肠道微生物群中产生的有益代谢物，如短链脂肪酸和雌马酚。

2. 益生菌的开发必须考虑肠道微生物群的组成，为肠道微生物群提供底物以产生有益于健康的理想代谢物。

迈维代谢

创新代谢组及多组学研究领导者