不止降胆固醇！这种肠道菌拥有多重代谢通路，为心脏健康带来新思路

MSP（宏基因组物种泛基因组，metagenomic species pangenomes）是指从宏基因组测序数据组装得到的物种水平泛基因组，不需要分离培养细菌，就可以区分人群样本里不同微生物物种，包含物种的核心基因与附属基因，可以用于大规模人群肠道微生物物种定量分析。IsmA蛋白是一种3β‑羟基类固醇脱氢酶，也是肠道细菌关键胆固醇代谢酶，能够把胆固醇转化成胆甾烯酮，最终生成不容易被人体吸收的粪甾醇，随粪便排出，降低宿主胆固醇水平。本研究发现颤杆菌存在IsmA功能同源蛋白。PROSE蛋白语言模型是一种深度学习蛋白结构嵌入模型，依靠蛋白质三维结构相似度识别功能同源蛋白。弥补传统序列比对缺陷，能发现序列相似度低、但功能保守的微生物酶，用于挖掘颤杆菌中未知胆固醇代谢基因。

尽管已有证据提示肠道菌群改变与心血管疾病相关，但受限于匹配的多组学与临床生物标志物数据，其内在机制尚不清晰。2024年4月，《CELL》刊登了一篇名为Gut microbiome and metabolome profiling in Framingham heart study reveals cholesterol‑metabolizing bacteria的文章，该研究针对弗雷明翰心脏研究1429位受试者生成粪便宏基因组与代谢组，系统解析肠道微生物是如何影响心血管健康指标的；最终发现颤杆菌属（Oscillibacter）可以调控宿主粪便与血浆胆固醇水平，进而影响心血管风险；并通过多组学挖掘结合体外菌株实验鉴定该细菌并解析分子机制。

本研究以弗雷明翰心脏研究的1429名受试者开展人群队列研究，收集受试者人口学资料、血脂、血糖、炎症标志物等临床血液指标、用药信息以及粪便样本，经质控后获得1345份宏基因组样本与899份配对代谢组样本；开展鸟枪宏基因组测序，构建非冗余基因集与MSP宏基因组物种泛基因组，完成基因功能注释、附属基因分析以及ismA基因筛查；利用LC‑MS开展粪便非靶向代谢组检测，结合分子网络、t‑SNE、MS/MS注释解析代谢物，并开展¹³C同位素标记胆固醇体外示踪实验；运用PROSE蛋白语言模型依据蛋白结构相似度检索功能同源蛋白，借助AlphaFold2预测蛋白三维结构并通过RMSD比对验证候选酶，依靠分子网络挖掘胆固醇衍生物，同时采用FDR、PERMANOVA、广义线性模型、弹性网回归进行统计分析，校正年龄、性别、BMI、药物等混杂因素；最后分离得到J115、RJX3347、RJX3711共3株人源颤杆菌代表菌株进行体外细菌验证实验，开展厌氧体外培养，采用荧光标记胆固醇观察细菌摄取情况，添加胆固醇以¹³C 标记胆固醇进行培养，使用LC‑MS检测胆固醇转化产物，并以Bacteroides thetaiotaomicron作为实验对照菌株。

研究结果显示，微生物α多样性高且富集颤杆菌、Alistipes的个体，血浆甘油三酯水平更低、高密度脂蛋白（HDL）水平更高，宏基因组与代谢组谱存在显著相关性；颤杆菌属丰度与粪便胆固醇、血浆胆固醇及甘油三酯呈显著负相关，该关联可在多个独立队列中重复验证。体外实验表明，颤杆菌菌株能够摄取并消耗培养基中的胆固醇，生成胆甾烯酮、糖基化胆固醇、羟基胆固醇等代谢产物，其基因组携带CgT糖基转移酶、IsmA脱氢酶同源物等保守胆固醇代谢候选基因，蛋白结构与功能参考蛋白相似度高且催化三联体保守；当颤杆菌与ismA编码细菌共存时，宿主血浆胆固醇会进一步下降，存在加性效应，该效应同样在中国人群队列得到复现；同时研究还鉴定出黄酮代谢、γ‑丁基甜菜碱代谢、胆固醇代谢等多条与心血管疾病风险相关的微生物代谢通路，并发现多项全新的微生物‑血液标志物关联。此外，K101还能显著降低体内的炎症水平，例如血液和肝脏中的IL-1β和IFN-γ水平下降，并减轻了肝肾组织中的炎症损伤。最引人注目的是，K101还能重塑肠道微生态：它不仅增加了多种益生菌（如嗜酸乳杆菌、丁酸梭菌等）的丰度，还抑制与炎症相关的Ruminococcus_torques_group，富集产丁酸的Butyricicoccus与乳酸杆菌，加固肠屏障，减少内毒素入血，间接改善肾尿酸清除。

该研究发现颤杆菌属为胆固醇代谢肠道菌，除脱氢作用外，还拥有胆固醇糖基化、羟基化新代谢途径，扩充了胆固醇代谢细菌的物种范围；运用蛋白语言模型，依托蛋白质三维结构挖掘功能基因，突破传统序列比对的局限；证实颤杆菌与ismA阳性细菌具有协同降低胆固醇的效应；构建了心血管大队列配对粪便宏基因组‑代谢组数据集。本研究揭示了肠道菌群调控胆固醇稳态的新机制，建立起“人群多组学‑计算预测‑体外菌株验证”的研究范式，也为高胆固醇血症以及心血管疾病的肠道菌群干预提供了潜在靶点与理论依据。

参考链接：10.1016/j.cell.2024.03.014