“肠道菌群”勇夺Cell正刊！FHS队列+微生物组+代谢组+深度学习

题目：弗雷明汉心脏研究中的肠道微生物组和代谢组分析揭示了胆固醇代谢细菌    

杂志：Cell

发表时间：2024年4月

公众号回复“111”领取原文PDF，文献编号：241104

研究背景

心血管疾病（CVD）是全球主要死因之一，与肠道微生物组的改变有关，但背后的机制尚不清楚。肠道微生物组与宿主的相互作用在人类健康中扮演着关键角色，特别是与心血管疾病的关联。本研究通过深入分析肠道微生物组和代谢组，希望能够揭示肠道微生物如何影响宿主的心血管健康，并为开发利用肠道微生物组功能的疗法提供信息。

研究主要结果

1.FHS肠道微生物组和代谢组的特征

基于FHS研究的1429个体（796名女性和633名男性）进行分析，鸟枪测序法获取了粪便样本的宏基因组数据，鉴定了超过300万个非冗余微生物基因，组装了687个物种（MSP）。主成分分析表明，alpha多样性较高且富集Alistipes和Oscillibacter的参与者，具有较低的血浆甘油三酯和葡萄糖水平，以及较高的血浆高密度脂蛋白（HDL）水平。

利用液相色谱-质谱法（LC-MS）从899个粪便样本中获取了非靶代谢组数据，分析结果显示，总体代谢组学谱与MSP谱显著相关，脂肪酰基、类固醇及其衍生物、甘油脂类和丙烯醇脂类与微生物α多样性最强相关。

2.肠道微生物与代谢产物相关性的综合分析表征

广义线性模型显示，与CVD风险因素相关的MSP包括F. plautii (msp_130) 和 C. bolteae，均与较高血浆TG和Glc相关；一种罕见微生物Oscillibacter属与较低的血浆TG水平相关。

根据分子网络的原理定义了2,368个LC-MS峰的共同丰度簇，发现与粪便代谢物相关性最高的血液测量包括血浆高密度脂蛋白（3,005）、血浆甘油三酯（1,706）、血浆胆固醇（467）和血清CRP（1,672）此外，相关性分析确定了与粪便中的微初级胆汁酸相关的个体代谢物，与已报道的健康参数或饮食模式相关。

3.MSP代谢物关联的综合分析表征

先分析了已知代谢物与MSP的相关性，发现他们可以分为两组，一组与Oscillibacter(包括Alistipes)相关，另一组与R. gnavus(包括C. bolteae, F. plautii（msp_13）Blautia obeum)相关。

挖掘MSPs与未知的LCMS峰之间的关联，发现了13,398对正相关和2,626对负相关的强相关性。Firmicutes msp_120（与血浆胆固醇呈最强正相关）与一个未知峰（QI16816）呈正相关。此外，利用MS/MS数据，预测了与Bifidobacterium adolescentis相关的峰QI29637是胆酸衍生物，与其他预测的胆酸具有相似性。

4.确定与胆固醇及其代谢物密切相关的细菌Oscillibacter及代谢途径

利用深度学习模型PROSE，在Oscillibacter属基因组中寻找与人类/微生物胆固醇代谢途径中关键蛋白相似的蛋白，发现了与胆固醇-alpha-葡萄糖基转移酶（CgT）、IsmA和易位蛋白（TSPO）相似的蛋白质。利用AlphaFold2比较这些蛋白结构之间的相似性，发现具有高度保守性，进一步支持了存在于Oscillibacter属的蛋白可能具有代谢胆固醇的潜力。

对RJX3811、J115和RJX3347的细菌分离培养物进行非靶向代谢组分析，发现暴露于Oscillibacter属细菌的培养液的胆固醇含量显著下降；对细菌的细胞沉淀进行代谢分析发现，Oscillibacter属成员细胞沉淀中的类固醇总量增加。表明Oscillibacter属可以代谢胆固醇。胆固醇代谢追踪进一步证明上述类固醇物质是Oscillibacter属代谢胆固醇的产物，以及Oscillibacter属中存在CgT和ismA的同源基因。

文章小结

该研究基于肠道微生物组和代谢组的多组学数据，结合生物信息学工具和实验验证，揭示了Oscillibacter属细菌与降低的血液和粪便胆固醇水平之间的关联，可能为心血管疾病的治疗提供新的靶点，并为未来的研究和治疗提供新的方向。