文献解读
绘谱导读 | 2023年9月代谢组学文献精选
导读聚焦
● 衰老性疾病的代谢研究
1. 代谢物与血脑屏障：Neuron | NAD+逆转衰老相关血脑屏障功能新机制：血脑屏障阻隔能力随年龄降低引发中枢神经等问题。该研究发现对内皮细胞CX43-PARP1-NAD+通路的调节（包括补充PARP抑制剂或烟酰胺单核苷酸）可能具有对抗衰老相关的血脑屏障渗漏的治疗潜力。
2. 肠道菌群与阿尔茨海默：Nature Communications | 肠道菌群致阿尔茨海默症新线索：脆弱拟杆菌及其代谢产物通过C/EBPβ/天冬酰胺酰内肽酶通路激活小胶质细胞。
3. 代谢弹性：Cell Metabolism | 代谢弹性–联结衰老和肥胖的新思路，该研究巧妙借鉴物理学”弹性”提出 “代谢弹性”（metabolic elasticity）的概念。利用其发现衰老和肥胖小鼠的代谢弹性及基因表达弹性均明显受损，而间歇性进食可显著提高代谢弹性。
● 肠菌&代谢改善与肠道疾病
1. Cell Host & Mocrobe | 一种由婴儿肠道微生物婴儿双歧杆菌（B. infantis）和人乳低聚糖（HMOs）组成合成菌制剂，本研究发现其可再现性和可预测性地调节成年人肠道益生菌群的恢复。
2. Gastroenterology | 中药片仔癀可通过恢复肠道菌及代谢物预防/抑制结直肠癌
导读目录
1. Cell Metabolism | 代谢弹性–联结衰老和肥胖的新思路
2. Nature Communications | 膳食脂肪酸和肠道菌群之间的相互作用影响宿主代谢和肝脏脂肪变性
3. The Journal of Clinical Investigation | 抗氧化剂刺激BACH1依赖性肿瘤血管生成
4. Nature Communications | 肠内脆弱拟杆菌激活小胶质细胞并触发神经元C / EBPβ转基因小鼠的AD发病机制
5. Cell Host & Mocrobe | 人乳衍生的合生元精确调节成人肠道微生物和代谢物
6. Neuron | NAD+通过CX43-PARP1轴修复衰老引起的血脑屏障损伤
7. Gastroenterology | 中药片仔癀通过恢复肠道微生物群和代谢物抑制结直肠肿瘤发生
8. Nature Communications | 饮食干预对糖尿病前期口腔和肠道微生物组、代谢物和细胞因子的影响
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第一篇、Cell Metabolism | 代谢弹性–联结衰老和肥胖的新思路
衰老和肥胖是当前世界上的重大健康问题，逐步发展会引发多器官功能衰退和长期损伤。然而，先前研究表明目前关于这些信号通道的研究和对相关的代谢表型的描述往往是单一和静态的，忽略了“动态”这一代谢状态的核心特征。由此，该研究定义及开发了一种基因弹性分数（GElaS），并发现在衰老和肥胖中存在着“代谢弹性”受损。
● 1. 对健康小鼠样本进行RNA-seq测序，发现自由进食和再进食样本组在主成分分析图中有明显聚集趋势，而禁食样本组呈现分离趋势，这表明转录组是弹性的，并且可以在再次进食后恢复到先前建立的基线状态。因此提出 “代谢弹性”的概念，并定义GElaS用于评估其在代谢动态中的应对及恢复能力。
●2. 对成年食蟹猴样本进行RNA-seq测序，发现其与小鼠相似，GElaS高的基因在模型周期中显示出比GElaS低的基因更强的表达变化。表明GElaS可展现代谢器官适应代谢变化的能力和生物体的代谢变化。
● 3. 对衰老小鼠样本进行RNA-seq测序，结果表明衰老小鼠的代谢弹性及基因表达弹性均明显受损，且在肥胖小鼠中同样受损，与衰老受损高度重合，而间歇性进食可显著提高代谢弹性。
● 4. 针对在脂肪组织中表现出弹性下降的基因进行转录因子（TF）富集分析。其中PPARg是糖脂质代谢的关键协调者。通过给予老年小鼠的噻唑烷二酮（TZD）激动剂进行治疗，可以缓解代谢功能障碍并延长寿命。在TZD和限制性禁食在衰老小鼠中的协同作用实验中，进食状态下给予TZD激活PPARg可以增加代谢弹性和胰岛素敏感性。而在饥饿情况下其作用完全相反。
参考文献
Deciphering the decline of metabolic elasticity in aging and obesity. Cell Metabolism. 2023
二、Nature Communications | 膳食脂肪酸和肠道菌群之间的相互作用影响宿主代谢和肝脏脂肪变性
非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是最常见的慢性肝病，也是与肝脏相关疾病死亡的主要原因之一。肝脏脂肪变性是NAFLD发展的第一步，而NAFLD与异常的肠道微生物群有关。膳食脂质与肠道微生物的相互作用可以影响宿主生理和疾病发展，然而，目前尚不清楚膳食脂质与肠道微生物相互作用如何影响肝脏脂肪变性。该研究通过基因组、微生物多样性、代谢组学分析发现富含吸收不良的长链饱和脂肪酸（SFA）的饮食独立于纤维摄入量调节肠道微生物群，这种相互作用与改善代谢和减少肝脏脂肪变性有关。
● 1. 招募117例受试者进行粪便宏基因组测序。根据饱和脂肪酸（SFA）、单不饱和脂肪酸（MUFA）或多不饱和脂肪酸酯（PUFA）的摄入分为高中低三类。主成分分析（PCA）发现膳食脂肪会影响人类肠道微生物群的分布，SFA对肠道微生物群的影响比MUFA和PUFA更强，增加SFA的摄入量降低了人类肠道微生物群的多样性。人体中，饱和脂肪酸（SFA）低摄入量与菌群多样性增加有关，而与纤维摄入量无关。
● 2. 通过对小鼠粪便进行转录组分析、16S多样性分析以及短链脂肪酸检测，关联分析结果表明小鼠中，吸收不良的长链膳食SFA尤其是硬脂酸，可引起胆汁酸谱的改变并改善代谢和脂肪变性。
● 3. 进一步分析发现，长链SFA的有益作用取决于肠道菌群并可通过粪菌移植实现。富含多不饱和脂肪酸的饮食可预防脂肪变性，但对菌群的影响很小。
参考文献
The interplay between dietary fatty acids and gut microbiota influences host metabolism and hepatic steatosis. Nature Communications. 2023
三、The Journal of Clinical Investigation | 抗氧化剂刺激BACH1依赖性肿瘤血管生成
肺肿瘤的生长和转移依赖血管生成，这一过程是对缺氧的应激。本文所研究的BACH1蛋白在先前的报道中具有两面性——BACH1既能抑制血管生成；另外在缺氧时能加速斑马鱼血管和淋巴管生成。本研究发现BACH1在常氧状态下，给予抗氧化剂后促进血管生成基因表达，使肿瘤对抗血管生成治疗敏感。
● 1. 在人肺癌细胞中，服用药物后会增加BACH1、血管生成的基因和蛋白水平水平。CRISPR/CAS9过表达和敲除BACH1，以及抗氧化剂给药表明，BACH1介导抗氧化剂诱导的血管生成基因表达；糖酵解基因也观察到类似效果。
● 2. CHIP实验、不同氧浓度细胞实验等结果表明，HIF1维持基础BACH1水平和介导抗氧化剂诱导的BACH1水平在常氧期间的增加，BACH1基因表达和蛋白水平在缺氧时以HIF1依赖方式增加；BACH1是HIF1的转录靶蛋白，而且BACH1可以刺激HIF1独立的血管生成和糖酵解基因表达。
● 3. 团队接着分析了癌症基因组图谱数据，和前述结果一致，BACH1在肺癌中的表达与广泛的血管生成和糖酵解基因的表达相关；乳腺癌和肾癌队列中也观察到类似结果。随后团队通过免疫组化、小鼠（BACH1+/+、BACH1-/-）体内给药NAC和VitC，发现只有BACH1+/+能增加肿瘤血管。表明抗氧化剂刺激有氧糖酵解并以bach1依赖的方式增加局部和远处肺癌转移。
参考文献
Antioxidants stimulate BACH1-dependent tumor angiogenesis. The Journal of Clinical Investigation. 2023
四、Nature Communications | 肠内脆弱拟杆菌激活小胶质细胞并触发神经元C/EBPβ转基因小鼠的AD发病机制
阿尔茨海默症(AD)是引发老年痴呆的主要原因，尽管发病缓慢，但病情会进行性加重。过去的肠脑轴研究证明肠道菌群与小胶质细胞及AD发生相关。本研究展示多个团队合作发表最新证据：AD病人的粪便菌群转移给转基因小鼠可引发AD，并揭示脆弱拟杆菌及其代谢产物通过C/EBPβ/天冬酰胺酰内肽酶通路激活小胶质细胞的分子机制。
● 1. 团队先通过AD 患者粪便移植给Thy1-C/EBPβ转基因小鼠，免疫荧光实验发现诱导不溶性β淀粉样蛋白（Aβ）和Tau聚集；并进一步通过定量、ELISA、WB等实验证实。团队深入研究发现Thy1-C/EBPβ-小鼠的C/EBPβ/AEP通路被激活，导致认知功能障碍。
● 2. 在Thy1-C/EBPβ-小鼠中，小胶质细胞C/EBPβ升高且细胞形态异常；WB结果观察到多不饱和脂肪酸酶（PUFA）升高。代谢组学（血、皮质、粪便）证据表明PGE2等物质异常；细胞实验发现12-HHTrE和PGE2显着增强了小胶质细胞活化并增加了神经元Aβ沉积。
● 3. 16S结果，脆弱拟杆菌在AD-FMT小鼠中明显富集；代谢组结果提示该菌与花生四烯酸代谢有关。转移该菌至小鼠后同样导致AD样病理，并且激活小胶质细胞、增加PUFA代谢。
● 4. 考虑到炎性环氧合酶-PGE2通路与AD发展有关。为了探究该菌的代谢物是否也会诱导AD样病理。团队给Thy1-C/EBPβ-小鼠进行腹膜注射12-HHTr或PGE2，发现均引发AD病理，且PGE2效果更显著。同时发现小鼠大脑中的小胶质细胞激活并PUFA水平提高。
参考文献
Bacteroides Fragilis in the gut microbiomes of Alzheimer’s disease activates microglia and triggers pathogenesis in neuronal C/EBPβ transgenic mice. Nature Communications. 2023
五、Cell Host & Mocrobe | 人乳衍生的合生元精确调节成人肠道微生物和代谢物
使用LBPs（活体生物治疗产品）调节肠道微生物群展示出了临床应用的希望，但仍然具有挑战性。该文献通过测试一种由婴儿肠道微生物婴儿双歧杆菌（B. infantis）和人乳低聚糖（HMOs）组成的合成菌，进一步研究发现合成制剂可再现性和可预测性地调节益生菌群的恢复。
● 1. 首先使用抗生素在 56 名健康志愿者中诱导生态失调，通过全宏基因组测序量化微生物群中B.infantis的相对丰度，发现接受HMO的移植受试者，14-28天的中位丰度为45.9%。未接受HMO的移植受试者中，丰度随着时间的推移显著降低，中位数为3.4%。在B. infantis+HMO队列中，中位相对丰度为8.6%。
● 2. 通过粪便中短链脂肪酸SCFAs的测定方法、非靶向代谢组学方法，研究发现：抗生素治疗造成短链脂肪酸、次级胆汁酸以及某些色氨酸和酪氨酸代谢物的水平下降；乳酸水平在所有受试者中增加；对于B. infantis+HMO组内的移植受试者，粪便乙酸水平恢复加快。
● 3. 通过与微生物群相关代谢物的靶向血清测定发现，B. infantis+HMO受试者组与仅接受抗生素治疗的对照组相比，八种代谢物发生了差异。其中，ILA是一种潜在的有益免疫调节色氨酸代谢产物，由B.infantis和其他肠道微生物产生；尿毒症毒素pCS在接受B.infantis和HMO治疗的人群中减少；其他酪氨酸和苯丙氨酸代谢产物也发生了改变。
● 4. 进一步研究发现，引入B. infantis+HMO在抗生素治疗期间和之后可以促进丰富Veillonella（韦荣氏球菌）增加，消耗乳酸的同时并产生丙酸，而单独的HMO或B. infantis都不能支持Veillonella的生长或丙酸的产生。
参考文献
Precision modulation of dysbiotic adult microbiomes with a human-milk-derived synbiotic reshapes gut microbial composition and metabolites. Cell Host & Microbe. 2023.
六、Neuron | NAD+通过CX43-PARP1轴修复衰老引起的血脑屏障损伤
血脑屏障（BBB）是一种特殊的生理屏障，它位于脑血管内皮细胞和神经元之间，起到保护大脑免受有害物质侵入的作用，然而，随着年龄的增长，血脑屏障的功能会逐渐恶化，导致其对有害物质的阻隔能力下降，从而可能引发认知障碍和神经变性等问题。目前关于血脑屏障在衰老过程中渗漏的具体原因尚不清楚。该研究确立了内皮细胞CX43-PARP1-NAD+通路的调节可能具有的治疗潜力，可以对抗衰老相关的血脑屏障渗漏，并具有神经保护作用。
● 1. 通过小鼠脑皮层组织单细胞核测序发现，许多基因在血脑屏障相关的细胞类型中特异性表达，如Cldn5，Gja1（蛋白名为connexin 43，CX43），Tgfb2、Tgfbr3和Smad6。其中，Gja1不仅在星形胶质细胞中表达，还在其他三个Cdh5+细胞群中表达，且随着年龄的增长，在Cdh5+ECs和Cdh5+VLMCs中表达减少。
● 2. 对小鼠脑皮层组织进行了代谢组学筛选，发现了在CX43+/-小鼠脑皮层组织中，烟酰胺代谢产物，包括NAD+、NADH、NADP+和NADPH的水平明显下降。
● 3. 通过coIP（免疫共沉淀）实验证实了CX43与PARP1-XRCC5-XRCC6复合物之间的物理相互作用，并且发现在老年样本和CX43缺失样本中，PARP1在血管相关细胞的细胞核内表达显著上升。
● 4. 通过补充奥拉帕尼（PARP抑制剂）或烟酰胺单核苷酸（NMN）对PARP1进行药理学抑制，能够有效逆转衰老引起的血脑屏障损伤。
参考文献
NAD+ rescues aging-induced blood-brain barrier damage via the CX43-PARP1 axis. Neuron. 2023.
七、Gastroenterology | 中药片仔癀通过恢复肠道微生物群和代谢物抑制结直肠肿瘤发生
片仔癀（PZH）是一种著名的传统中药，因其对包括癌症在内的各种炎症性疾病的有益作用而备受关注。但其在预防结直肠癌（CRC）方面的潜在功能仍然未知。本研究基于CRC无菌小鼠模型，通过运用代谢组学、宏基因组和转录组学方法，系统性研究发现中药片仔癀可通过恢复肠道微生物群和代谢物抑制结直肠肿瘤发生。
● 1. 首先发现片仔癀可抑制常用的炎症诱导和自发性CRC的模型小鼠的结直肠肿瘤发生，且呈剂量依赖性。宏基因组结果表明，片仔癀可逆转结CRC小鼠的肠道生态失调，其中P xylanivorans和E limosum的培养上清液可显著抑制CRC细胞的活力和集落形成。菌粪移植小鼠也同样支持了PZH的抗癌作用至少部分依赖于微生物群。
● 2. 对两种接受PZH治疗的模型小鼠和对照小鼠的粪便样本进行了代谢组学分析，发现片仔癀显著上调了有益代谢产物牛磺酸和次牛磺酸、胆汁酸和不饱和脂肪酸，显著恢复了肠道屏障功能。关联分析结果提示部分肠道中的代谢物和微生物群存在显著相关，两者间的共同作用促进了PZH对CRC的化学预防。
● 3. 转录组分析显示，片仔癀抑制了PI3K-Akt、IL-17、TNF和细胞因子-趋化因子信号传导，涉及肠道菌群依赖和非依赖的机制。菌群移植小鼠部分重现了片仔癀对CRC的化学预防作用。研究进一步揭示，片仔癀中的活性成分人参皂苷-F2和人参皂苷-Re对CRC细胞及类器官有直接的抑制作用。
参考文献
Traditional medicine Pien Tze Huang suppresses colorectal tumorigenesis through restoring gut microbiota and metabolites. Gastroenterology. 2023
八、Nature Communications | 饮食干预对糖尿病前期口腔和肠道微生物组、代谢物和细胞因子的影响
糖尿病和相关合并症是正在上升的全球健康威胁，饮食在高血糖症的发展和糖尿病前期的发作中起着关键作用。本研究评估了个性化的餐后葡萄糖靶向饮食（PPT）以及地中海饮食标准（MED）对糖尿病前期个体的口腔和肠道微生物组、代谢物和细胞因子的影响，最终发现饮食干预可以影响宿主的微生物组、心脏代谢特征和免疫反应。
● 1. 粪便与龈下斑块样本的宏基因组结果表明PPT饮食对微生物组的影响大于MED饮食。血清代谢组学结果显示，两种饮食对参与者的血清代谢物有很大的影响，PPT饮食的影响同样大于MED饮食。Olink实验表明，两种饮食会影响不同细胞因子的变化。
● 2. 选取每组所有显著变化的肠道菌群特征，并分别对饮食变化（预测因子）、微生物物种（介质）和结果、代谢物和细胞因子之间进行中介分析，最终发现微生物组在饮食干预对血糖，代谢和免疫测量的影响中起着中介作用，且分类学上相似的物种可以具有不同的介质作用。
● 3. 对比口腔微生物组与肠道微生物组发现，肠道微生物组在组成水平上经历了更大的变化，但口腔微生物组在遗传菌株水平上更具活力。这种遗传水平在饮食对血糖、代谢和免疫测量的影响中起着中介作用。口腔和肠道环境中一些最具遗传活力的物种以前与糖尿病有关，可能是因为引起高血糖症的致病菌株的优势增加。
参考文献
Impact of dietary interventions on pre-diabetic oral and gut microbiome, metabolites and cytokines. Nature Communications. 2023.
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