客户案例 | ISME Journal (IF=11): 以基因组为中心研究奶牛胆汁酸代谢微生物群及相关饮食诱导的功能影响

收集18头奶牛的108个全肠道内容物（包括十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠和直肠）进行宏基因组测序，发现372个高质量微生物基因组（MAGs）参与胆汁酸解聚、氧化和去羟化途径。通过靶向胆汁酸谱分析（麦特绘谱提供）发现，奶牛肠道中不同肠道的胆汁酸组成分布呈区段化特点，十二指肠和空肠中的胆汁酸主要为初级结合BA（牛磺胆酸TCA和甘胆酸GCA），后肠中主要是次级游离BA（脱氧胆酸DCA）。与单胃动物不同，奶牛肠道中胆汁酸代谢相关微生物主要来自具有胆盐水解酶能力的Acutalibacteraceae科和Alistipes属。靶向代谢组学分析还表明，谷物饲料重塑了代谢BA的菌群组成，通过降低植物生物量水解率和降解宿主黏蛋白聚糖而有利于淀粉的降解。同时宿主降解葡萄糖的微生物群减少，表明结肠粘液中可被微生物利用的多糖减少，这与谷物饲养导致肠黏膜厚度降低有关。

图1. 奶牛肠道微生物群的胆汁酸代谢

比较基因组分析表明，携带胆汁盐水解酶（BSH）的微生物在奶牛肠道中具有降解宿主粘液多糖能力，以及很强的功能优势，包括营养底物竞争力、对外部环境条件的抵抗力和代谢能力，说明其更能够适应大肠寡营养的环境。序列相似性网络分析结果显示，研究中所获得的439个BSH同源基因可聚类为12个Clusters，不同的Clusters具有独特的进化、分类、信号肽和生态位，提示不同的BSH具有不同的功能效应。

图2. 奶牛肠道中439种胆盐水解酶同系物的分类及变化

对奶牛进行常用的两种饲粮喂养，牧草（对照组）和谷物，分析微生物代谢BA的功能意义。与对照组相比，谷物饲粮导致206个MAGs的显著变化，且两组的结肠微生物组成与丰度具有显著差异。此外，两组之间有4个胆汁酸的浓度差异显著，其中对照牧草组中胆酸CA、3-脱氢胆酸（3-DHCA）和12-DHCA升高，表明初级非结合型胆汁酸的累积。谷物饲粮也引起BSHs丰度的变化，进一步结合两种饲粮组奶牛的结肠黏膜样本的形态学分析和转录组测序发现Cluster1中BSHs基因丰度增加主要与结肠微生物Firmicutes bacterium CAG-110丰度升高有关，其丰度增加会促进结肠CA浓度升高，与肠道炎症密切相关。

图3. 谷物喂养后奶牛结肠中微生物组成和胆汁酸谱的变化

综上，本研究首次阐明了奶牛肠道内胆汁酸的组成与浓度和奶牛肠道微生物代谢胆汁酸的基本规律，并拓展了人们对奶牛肠道微生物功能的认识，同时揭示了日粮结构对微生物代谢胆汁酸及其扰乱肠黏膜免疫稳态的机制，为通过靶向调控奶牛肠道微生物影响胆汁酸代谢和肠黏膜免疫稳态提供了理论依据。

图4. 饲粮补体系统相关的差异表达基因

Genome-centric investigation of bile acid metabolizing microbiota of dairy cows and associated diet-induced functional implications. ISME J. 2022.

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