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2019-06-17浏览量:1216

『锐帮读』健康人群微生物组和代谢组的多组学分析揭示了饮食与代谢物之间的关系

导读

人体微生物组与健康状况和疾病发展有关,由共生生物产生的代谢物,可能影响宿主代谢过程,具有潜在的保护性或致病性。饮食是一个影响微生物群的关键因素,特定的饮食成分充当微生物代谢的基质,塑造微生物的组成和功能。本研究从粪便和唾液中分析肠道和口腔微生物组,并对部分个体的血浆和粪便样本进行了代谢组学分析,来研究饮食、微生物组、肠道和血液代谢组之间的关系。

 

文献ID

题目:Multi-Omic Analysis of the Microbiome and Metabolome in Healthy Subjects Reveals Microbiome-Dependent Relationships Between Diet and Metabolites

译名:健康人群微生物组和代谢组的多组学分析揭示了饮食与代谢物之间的关系

期刊名:《Frontiers in Genetics》

年份:2019年5月  IF:4.151

通讯作者:Zheng-Zheng Tang

单位:威斯康星大学麦迪逊分校生物统计和医学信息学系

 

材料与方法

实验设计

健康志愿者150位(男性和非孕妇/哺乳期女性,年龄18-50岁)。

受试者提供取样前3天食物记录,以及一年的食物频率问卷。将饮食数据转换为191个长期膳食变量和139个短期膳食变量的营养摄入值。

受试者取空腹血样(在禁食过夜12小时后),粪便以及唾液样品(粪便样品N=136)。

 

测序区域及平台

测序策略:Illumina Miseq;PE300;16S rRNA V4区。

代谢组检测:75个血浆样本和75个粪便样本(匹配的受试者),通过多种质谱方法进行代谢组学检测,在血浆中检测到812种代谢物,在粪便样品中检测到770种代谢物。

 

图1

 

研究成果

1、肠道微生物组与饮食和代谢物有关

研究使用距离相关t检验进行整体分析,获得膳食措施(短期和长期饮食),微生物组(粪便和唾液)和代谢物(血液和粪便)的关系。如图2所示,肠道微生物组与肠道代谢组之间存在很强的关联性(p=2.2×10-10),长期饮食与肠道微生物组之间也存在强关联性(p=7.8×10-4),短期饮食与肠道和血浆代谢组显著相关(p<1×10-3)。口腔微生物组与其他数据类型之间没有关联。

 

图1

 

研究成果

1、肠道微生物组与饮食和代谢物有关

研究使用距离相关t检验进行整体分析,获得膳食措施(短期和长期饮食),微生物组(粪便和唾液)和代谢物(血液和粪便)的关系。如图2所示,肠道微生物组与肠道代谢组之间存在很强的关联性(p=2.2×10-10),长期饮食与肠道微生物组之间也存在强关联性(p=7.8×10-4),短期饮食与肠道和血浆代谢组显著相关(p<1×10-3)。口腔微生物组与其他数据类型之间没有关联。

 

图3 膳食营养素摄入量与肠道微生物组之间的关系

 

表1 与至少三种肠道微生物相关的膳食营养素的摄入量

 

3、血浆和肠道代谢物与肠道微生物相关

研究确定了123个(66%)血浆代谢物以及34个(71%)肠道代谢物与至少一种细菌相关(图4,5)。而与多种细菌相关的血浆和粪便代谢物,如表2所示。这些与微生物组成高度相关的代谢物,包含胆汁酸代谢、脂质和氨基酸代谢或异生素代谢的功能,表明微生物在调节宿主关键代谢途径中起着重要作用。

 

图4 血浆代谢物与肠道微生物组的关联

 

图5 粪便代谢物与肠道微生物组的关联

 

表2 与至少三种肠道微生物相关的血浆和粪便代谢物

 

4、肠道微生物群调节饮食和代谢物之间的关系

研究显示多种细菌影响饮食摄入与代谢物之间的关系,包括血浆代谢物和粪便代谢物,其代谢途径具有强烈的饮食-微生物组效应,包括氨基酸代谢(组氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸)、脂质代谢(脂肪酸、胆汁酸和类固醇)和异生素代谢(苯甲酸盐和食品成分)。

 

表3 饮食和微生物组介导的代谢物

 

5、肠道微生物肠型中代谢物丰度的差异

研究鉴定了两种肠型的肠道微生物组,54个人被分类为肠型1,82个人被归类为肠型2。两种肠型在细菌丰度上的主要区别是Ruminococcaceae的丰度。在肠型2中,Ruminococcaceae的丰度显著偏高。不同肠型的血浆代谢物,在氨基酸代谢途径中有显著差异(p<0.05),特别是必需氨基酸苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸。而不同肠型的粪便代谢物,在牛磺酸和烟酸代谢中有显著差异(p<0.05)。由于不同肠型的饮食摄入差异有限,表明代谢物的差异不仅仅是饮食的差异。

 

6、肠道微生物肠型调节饮食与代谢物之间的关系

饮食和肠型依赖性代谢物有多种,但与膳食变量最常关联的代谢物主要是胆汁酸以及氨基酸代谢物。在相关代谢途径中,胆汁酸代谢在肠道代谢中起着重要作用。如图6所示,膳食纤维的摄入与肠型1的血浆乌索脱氧胆酸盐正相关,但与肠型2没有关系。相反,在肠型1中,高膳食纤维与血浆牛磺酸胆酸盐减少有关。

 

在肠型2的个体中,血浆乌索脱氧胆酸盐与血浆C-反应蛋白(CRP)和BMI之间存在一定的正相关(p<0.05),但在肠型1中没有(图7)。这些数据表明,肠型1的个体具有高度膳食相关的胆汁酸代谢,而肠型2的个体对膳食摄入不太敏感,更可能与代谢不良相关。

 

图6 膳食纤维与肠道胆汁酸的肠型依赖性

 

图7 血浆乌索脱氧胆酸盐与血浆C-反应蛋白和BMI的肠道依赖性

 

研究结论

1、对饮食,微生物组和代谢组数据整体进行处理,证明饮食、肠道微生物组和代谢组相互关联。

2、长期饮食更多地影响着肠道微生物组成,而短期饮食与肠道和血浆代谢组相关性更强。

3、大多数代谢物受到饮食、微生物组或两者的影响,对微生物组敏感的代谢途径是胆汁酸代谢、氨基酸代谢等。

4、肠道肠型显著影响膳食纤维和血浆胆汁酸之间的关系,提示微生物组成介导饮食对宿主代谢的影响。

 

亮点

进行多组学分析,探讨健康成人饮食、微生物组和代谢之间的关系,确定了微生物组成介导饮食和代谢物之间的关系,个体微生物类群和微生物肠型都可能会影响饮食在肠道和循环中的代谢。

 

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