腸道菌群-靶器官多組學(xué)：16s和非靶代謝組學(xué)檢測應(yīng)用于水蘇糖研究

陜西師范大學(xué)楊興斌教授團(tuán)隊(duì)利用多組學(xué)研究水蘇糖

腸道菌群在調(diào)節(jié)多種生理功能方面發(fā)揮著重要作用，其衍生的代謝物顯示出與包括 2 型糖尿病在內(nèi)的多種代謝疾病密切相關(guān)。近年來，多篇研究論證了腸道菌群介導(dǎo)的色氨酸代謝與 2 型糖尿病之間的特殊關(guān)系。因此，以腸道微生物群為導(dǎo)向，以調(diào)節(jié)微生物色氨酸代謝失衡為目標(biāo)的飲食干預(yù)手段在防治2 型糖尿病及其相關(guān)代謝障礙方面具有巨大潛力。其中，水蘇糖作為非消化性益生元，已被報(bào)道能夠通過調(diào)節(jié)腸道中有益菌的豐度，促進(jìn)短鏈脂肪酸的產(chǎn)生，進(jìn)而改善 2 型糖尿病進(jìn)展。

2023年2月，陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院院長楊興斌教授團(tuán)隊(duì)在Journal of Functional Foods上發(fā)表名為“Integration of microbial metabolomics and microbiomics uncovers a novel mechanism underlying the antidiabetic property of stachyose”的研究文章，利用代謝組學(xué)和16s技術(shù)闡明了水蘇糖可對 2 型糖尿病患者腸道菌群依賴的色氨酸代謝進(jìn)行調(diào)控，這為水蘇糖抗糖尿病機(jī)制提供新的見解。中科新生命參與了該研究中16s和非靶代謝組學(xué)檢測的相關(guān)工作。
 

正常飲食（ND）小鼠、高脂飲食（HFD）小鼠、低劑量水蘇糖干預(yù)的高脂飲食（STA-Low）小鼠、高劑量水蘇糖干預(yù)的高脂飲食（STA-High）小鼠的糞便和血清樣本

技術(shù)路線 步驟1：色氨酸、水蘇糖干預(yù)糖尿病患者糞便的體外發(fā)酵；步驟2：代謝組學(xué)和16s發(fā)現(xiàn)干預(yù)前后的代謝物及微生物變化；步驟3：Spearman分析水蘇糖調(diào)控的微生物與色氨酸代謝產(chǎn)物的相關(guān)性；步驟4：小鼠模型證明水蘇糖對HFD誘導(dǎo)2型糖尿病的腸道菌群結(jié)構(gòu)和色氨酸代謝重塑。

作者在糞便的體外發(fā)酵過程中分別添加色氨酸（TRP）和水蘇糖+色氨酸（STA），選取不同體外發(fā)酵時(shí)間的樣本非靶代謝組學(xué)分析以篩選被色氨酸和水蘇糖調(diào)控的代謝變化。結(jié)果顯示，色氨酸和水蘇糖均誘導(dǎo)了新發(fā)患者和常年糖尿病患者代謝物譜變化的獨(dú)特模式。具體而言，相對于未添加組（NC），在體外發(fā)酵系統(tǒng)中添加色氨酸可以增強(qiáng)色氨酸代謝物；而相比于TRP組，添加水蘇糖顯著促進(jìn)色氨酸代謝物，如吲哚乙酸、吲哚丙烯酸和吲哚-3-羧酸的表達(dá)水平。

圖1 色氨酸和水蘇糖影響糞便體外發(fā)酵的代謝變化

2. 水蘇糖調(diào)節(jié)2型糖尿病患者糞便體外發(fā)酵過程中的菌群結(jié)構(gòu)

使用16s擴(kuò)增子測序以了解水蘇糖和色氨酸對糖尿病患者糞便菌群結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，水蘇糖改變了 2 型糖尿病患者的微生物群組成。為了探究色氨酸和水蘇糖在發(fā)酵過程中如何改變兩名糖尿病患者的糞便菌群組成，對差異菌進(jìn)行趨勢聚類分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Bifidobacterium、Mitsuokella、Lactococcus 和 Catenibacterium 屬在 4 h 和 8 h 被色氨酸上調(diào)；水蘇糖在 4h顯著增加了乳桿菌屬、鏈球菌屬以及唾液乳桿菌的水平。

圖2 色氨酸和水蘇糖影響糞便體外發(fā)酵的菌群結(jié)構(gòu)

3. 水蘇糖影響腸道菌群介導(dǎo)的色氨酸代謝

在觀察到水蘇糖對糞便微生物群和微生物代謝組的顯著影響的基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步研究了水蘇糖改變的微生物群對色氨酸代謝的潛在調(diào)節(jié)。作者計(jì)算了發(fā)酵 4、12 小時(shí)的微生物群組成與 8、24 小時(shí)的色氨酸相關(guān)代謝物之間的 Spearman 相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)色氨酸代謝物與 25 個屬呈正相關(guān)，而與 44 個屬呈負(fù)相關(guān)。具體而言，鏈狀桿菌、三足菌和雙歧桿菌與吲哚乙酸和吲哚丙烯酸呈正相關(guān)，與3-羥基-L-犬尿氨酸與呈負(fù)相關(guān)。乳桿菌屬與3-羥基-L-犬尿氨酸呈正相關(guān)，而與 5-羥色胺呈負(fù)相關(guān)。乳球菌屬與吲哚丙烯酸、吲哚乙酸和吲哚-3-乳酸呈正相關(guān)。這些結(jié)果表明水蘇糖可能通過調(diào)節(jié)菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)而調(diào)節(jié)色氨酸代謝。
 

圖3 受水蘇糖調(diào)控的色氨酸代謝物與微生物的 Spearman 相關(guān)性

4. 水蘇糖重建高脂肪飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠的色氨酸代謝

在觀察了水蘇糖在體外發(fā)酵過程中對糞便微生物群和色氨酸代謝的調(diào)節(jié)作用后，作者進(jìn)一步評估了這種作用是否可以在高脂肪飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠模型中得到證實(shí)。首先，HFD 引起的吲哚-3-丙/酸與色氨酸比例的降低被高劑量水蘇糖逆轉(zhuǎn)。此外，與 HFD 小鼠相比，水蘇糖給藥減少乳球菌和鏈球菌的豐度，增加了約氏乳桿菌、鼠乳桿菌、羅伊氏乳桿菌、假長雙歧桿菌和產(chǎn)酸擬桿菌的豐度。這些動物研究的結(jié)果是對體外研究的補(bǔ)充，突出了水蘇糖在預(yù)防 2 型糖尿病方面的潛力。
 

圖4 水蘇糖給藥對小鼠血清代謝物和糞便微生物的影響

 小結(jié)