高通量代謝組學四路篩選法揭秘“神藥”二甲雙胍延長壽命的機制
百趣代謝組學分享—研究背景
目前據統(tǒng)計中國糖尿病患者人數達9700萬以上，數量達到世界第一。這其中2型糖尿病占到了90%以上。二甲雙胍是目前治療2型糖尿病的一線“明星”藥物，因其較少出現低血糖和體重增加副作用而受到廣大患者和醫(yī)生的青睞。代謝組學文獻分享，而該藥在治療糖尿病的同時，近些年被發(fā)現該藥還兼職抗衰老的作用。有研究發(fā)現糖尿病患者尤其是2型糖尿病患者在接受二甲雙胍的治療后的生存時間明顯的長于其他的糖尿病患者，正常來說糖尿病患者由于疾病的原因會導致短壽8年左右。而二甲雙胍是如何起到抗衰老的作用的呢？
發(fā)表在Cell上的Host-Microbe-Drug-Nutrient Screen Identifies Bacterial Effectors of Metformin Therapy這篇文章給了我們一個答案。
文中從四路入手詳細的講述了二甲雙胍會引起長壽的機制。從線蟲到人類，二甲雙胍對宿主生理的影響是通過與微生物相互作用方式來調節(jié)的。營養(yǎng)這一外在因素在調節(jié)宿主和微生物生理以及藥物治療疾病的療效方面也起著關鍵作用。代謝組學文獻分享，事實上，二甲雙胍對宿主的影響也是取決于飲食攝入。然而，微生物以何種營養(yǎng)依賴的方式調節(jié)這些效應的確切機制仍不清楚。所以作者設計了一個高通量的四路篩選法（四路：宿主-微生物-藥物-營養(yǎng)）為二甲雙胍在人類中起到長壽效應提供了一個潛在的解釋。接下來跟小編一起來看看作者是怎樣研究的吧。
百趣代謝組學分享—研究結果
宿主-微生物-藥物-營養(yǎng)
1.篩選出整合藥物和營養(yǎng)的信號中樞
由于二甲雙胍在秀麗隱桿線蟲體內誘導了一種類似于飲食限制的機制來調節(jié)機體壽命，因此作者使用轉基因報告基因Pacs-2::GFP來驗證這一假設，Pacs-2::GFP的表達是飲食限制條件下轉錄反應的一個指標。正如預測的，從（圖1A）中可以看出二甲雙胍削弱了細菌生長的能力，延長宿主壽命(圖1B)， Pacs-2::GFP表達增加(圖1C)，隨著二甲雙胍濃度的增加而顯著變化。代謝組學文獻分享，至關重要的是，這些影響的大小因生長營養(yǎng)介質的不同而不同，這表明營養(yǎng)成分在其中起到重要作用。
圖1
從富集分析結果來看，糖、多肽、氨基酸（如L-絲氨酸）和核苷酸（如腺苷）類的營養(yǎng)物質能夠使二甲雙胍對細菌生長產生影響（圖1E、1F）。
圖1
為了更好地理解四路篩選中代謝物及通路信號途徑與宿主生理調節(jié)之間的機制聯系，作者對使用和不使用二甲雙胍的大腸桿菌進行了蛋白質組學分析(圖2A)。二甲雙胍的治療效果與特定的KEGG途徑顯著相關，如上調三羧酸（TCA）循環(huán)、下調糖酵解以及通過精氨酸N-琥珀酰轉移酶（AST）途徑降解精氨酸(圖2B)。代謝組學文獻分享，作者還研究了11種細菌轉錄因子（TFs）在二甲雙胍中對細菌生長、宿主代謝以及壽命起到的作用。細菌TFs的缺失并不意味著對二甲雙胍產生了耐藥性(圖2C)。在分析這些細菌TFs對宿主代謝和壽命的影響時發(fā)現細菌Crp（C反應蛋白）和ArgR的缺失顯著降低了蠕蟲Pacs-2::GFP的上調（圖2D）。由此得出細菌Crp和ArgR分別是二甲雙胍延長宿主壽命所必需的全部和部分物質(圖2E、圖2F)。
圖2
2.利用代謝組學方法研究二甲雙胍對宿主代謝和壽命的影響
Crp調節(jié)著細菌的各種代謝過程。為了了解大腸桿菌中與宿主壽命相關的Crp的代謝變化，利用代謝組學方法來觀察代謝產物水平發(fā)生的變化。分析顯示經二甲雙胍處理的大腸桿菌OP50和∆crp的代謝譜之間存在顯著差異。為了檢測細菌代謝產物在調節(jié)宿主生理上的重要性，構建了大腸桿菌突變體。在這些基因缺失株中，只有一個突變了speB基因的株能分解胍丁胺，使宿主Pacs-2::GFP表達顯著增加。
代謝組學文獻分享，因此，將研究重點放在精氨酸分解代謝上，單或雙倍突變株能夠積累胍丁胺，誘導宿主Pacs-2::GFP表達。四倍突變株，則不會積累胍丁胺，無法上調Pacs-2::GFP的表達，這意味著是胍丁胺而不是精氨酸起到了調節(jié)宿主代謝的作用（圖3A）。通過外源性補充進一步研究胍丁胺的作用，胍丁胺延緩了蠕蟲的發(fā)育和生殖輸出，上調了Pacs-2::GFP的表達（圖3B），并延長了壽命（圖3C）。之后作者使用大腸桿菌OP50的代謝模型來確定營養(yǎng)的補充對胍丁胺產生的影響。代謝模型的結果顯示糖不會使細菌胍丁胺的量增加，而核苷酸、氨基酸和多肽會增加細菌胍丁胺的生產能力。這與從四路篩選中得到的數據一致。
圖3
3.服用二甲雙胍治療的患者，胍丁胺的生成能力增強
為了確定細菌胍丁胺的產生與人類二甲雙胍治療之間是否存在聯系，作者調查了二甲雙胍治療的2型糖尿病患者的微生物群中是否有胍丁胺的增加。在1258名人類參與者組成的隊列中，二甲雙胍治療的2型糖尿病患者（n=76；圖4）的胍丁胺生產能力顯著高于未治療的2型糖尿病患者（n=57）、健康肥胖對照組（n=492）、健康對照組（n=633）。未經治療的2型糖尿病患者與健康肥胖對照組相比，胍丁胺生產能力沒有差異，與健康對照組相比僅略有增加。代謝組學文獻分享，瑞典和丹麥隊列觀察到類似的結果。研究人員還觀察到，在隊列中添加富氮化合物后，人類腸道微生物群落的胍丁胺生產能力增強。即使在控制體重和年齡等這些外在因素之后，胍丁胺的產生與二甲雙胍的治療狀態(tài)任然呈現密切相關。
圖4
4.細菌介導宿主脂肪酸氧化能夠延長宿主壽命
作者對秀麗隱桿線蟲宿主進行了多組學分析。利用轉錄組學分析顯示誘導二甲雙胍的長壽表型的基因中，富集最明顯的是過氧化物酶和脂肪酸代謝通路。代謝組學文獻分享，研究發(fā)現二甲雙胍能夠上調脂質代謝相關基因（圖5A），特異性降低脂滴的大小和豐度（圖5B），同時能夠增加大腸桿菌OP50上飼養(yǎng)的蠕蟲的過氧化物酶的豐富度（圖5C）。值得注意的是，這種效應在生長在∆crp細菌上的蠕蟲中沒有發(fā)現。
由此作者對游離脂肪酸和結合脂肪酸分析后，發(fā)現二甲雙胍顯著改變了24種脂肪酸中的16種（圖5D）。這些觀察結果與細菌Crp介導二甲雙胍對宿主脂質代謝影響的關鍵作用一致。
圖5
百趣代謝組學分享—總結
作者利用四路篩選方法結合微生物群落建模，捕獲二甲雙胍誘導的微生物的功能特征，這些特征無論是在蠕蟲上還是人類上都是保守的，并為今后研究復雜的宿主-微生物-藥物-營養(yǎng)物相互作用提供了實驗策略。了解了營養(yǎng)環(huán)境如何通過微生物群調節(jié)藥物作用，并通過代謝模型找到潛在的代謝途徑會有助于給患者或有需要的人提供飲食指南，以得到最大的治療效果和減少胃腸道副作用。代謝組學文獻分享，通過藥物相互作用協調細菌的代謝可能會為改善宿主健康和壽命的個性化藥物提供一條有前途的研發(fā)道路。
