大量腸道菌群隊(duì)列研究表明腸道微生物與宿主的健康與疾病狀態(tài)存在潛在的因果關(guān)系，已有充分證據(jù)證實(shí)腸道共生菌能夠通過(guò)脫羥基化作用將初級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸DCA和LCA，但更多的次級(jí)代謝產(chǎn)物尚未被發(fā)現(xiàn)，而這些代謝物在疾病及健康狀態(tài)下的功能也有待研究。

2024年1月，微生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉雙江教授團(tuán)隊(duì)與合作單位團(tuán)隊(duì)在Nature Microbiology上發(fā)表了題為“Gut commensal Christensenella minuta modulates host metabolism via acylated secondary bile acids”的研究論文，揭示C. minuta等腸道共生菌通過(guò)產(chǎn)生新型次級(jí)膽汁酸——3-O-酰基膽酸，從而靶向腸肝信號(hào)軸調(diào)控宿主糖脂代謝的新機(jī)制，并證明小克里斯滕森氏菌Christensenella minuta及酰基膽酸具有治療II型糖尿病等慢性代謝類(lèi)疾病的應(yīng)用潛力。（麥特繪譜提供Q300全定量代謝組檢測(cè)服務(wù)）

研究思路

DIO：高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖模型；FXR：法尼醇X受體

研究結(jié)果

1. 新型次級(jí)膽汁酸的發(fā)現(xiàn)

首先，作者收集了7個(gè)公開(kāi)的代謝性疾病（T2D、肥胖、NAFLD和CVD）腸道宏基因組數(shù)據(jù)集，通過(guò)與健康人群的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，篩選出175個(gè)在代謝疾病隊(duì)列中豐度顯著下調(diào)的腸道菌群，其中88種占主導(dǎo)地位，且可培養(yǎng)。隨后利用這些腸道菌群對(duì)膽汁酸進(jìn)行了基于培養(yǎng)的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)LC-MS分析表征了膽汁酸的轉(zhuǎn)化譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了以C. minuta（Christensenella minuta）為代表的多個(gè)菌種代謝產(chǎn)生的4種新的膽酸衍生物，其m/z分別為449.3、463.3、477.3和491.3。

通過(guò)膽汁酸的特征二級(jí)碎片比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這些膽汁酸衍生物分別含有乙酰、丙酰、丁酰和戊酰基團(tuán)。核磁共振譜解析結(jié)果證實(shí)，上述衍生物為3-乙酰膽酸（Ac-CA）、3-丙酰膽酸（Prp-CA）、3-丁酰膽酸（Buty-CA）和3-戊酰膽酸（Val-CA）。以上結(jié)果表明， C. minuta可通過(guò)對(duì)膽汁酸的3′-羥基末端進(jìn)行特異性酰基化修飾，從而得到一系列新的次級(jí)膽汁酸。

圖1. 腸道微生物介導(dǎo)的膽汁酸轉(zhuǎn)化為新型的3-O-酰基膽酸

2. C. minuta可減輕肥胖小鼠的代謝紊亂

為了評(píng)估C. minuta及3-O-酰基膽酸的生理功能，作者對(duì)高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖（DIO）小鼠進(jìn)行了C. minuta灌胃試驗(yàn)。多項(xiàng)生理病理指標(biāo)表明，C. minuta治療后的DIO小鼠病理性高血糖和脂代謝紊亂得到顯著緩解，肝內(nèi)和結(jié)腸炎癥也有所降低。此外，盲腸內(nèi)容物的16S rRNA測(cè)序證實(shí)C. minuta灌胃對(duì)DIO小鼠腸道菌群的α及β多樣性沒(méi)有顯著影響，而Prp-CA、Buty-CA、Val-CA和3-O-酰基膽酸總濃度在小鼠回腸中顯著增加。

以上結(jié)果表明，C. minuta產(chǎn)生的3-O-酰基膽酸水平與DIO小鼠的代謝特征改善之間存在正向關(guān)系。

圖2. C. minuta對(duì)DIO小鼠代謝的影響

3. 3-O-酰基膽酸是法尼醇X受體的拮抗劑

在檢測(cè)腸道中與膽汁酸相關(guān)的基因的表達(dá)時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)C. minuta組中受法尼醇X受體（FXR）調(diào)控的Fgf15基因被顯著抑制，而代謝組分析卻顯示先前已知的FXR拮抗膽汁酸，如牛磺熊去氧膽酸和牛磺β鼠膽酸（TUDCA和TβMCA）均未顯著增加。因此推測(cè)由C. minuta生成的3-O-酰基膽酸可能是靶向FXR的信號(hào)分子，并通過(guò)雙熒光素酶報(bào)告實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，3-O-酰基膽酸抑制了CDCA誘導(dǎo)的FXR活化，且這種抑制作用存在劑量效應(yīng)，具體而言：Ac-CA和Buty-CA測(cè)定的半數(shù)最大抑制濃度（IC50）分別為49.73和33.60μM。

圖3. 3-O-酰基膽酸的細(xì)胞培養(yǎng)基于生理功能的鑒定和基于小鼠的藥代動(dòng)力學(xué)

4. C. minuta靶向調(diào)控FXR-腸肝信號(hào)軸

接下來(lái)作者進(jìn)一步分析C. minuta灌胃是否會(huì)對(duì)腸道FXR-腸肝信號(hào)軸進(jìn)行調(diào)控。在動(dòng)物中存在兩個(gè)經(jīng)典腸道FXR信號(hào)軸：調(diào)節(jié)膽汁酸和膽固醇的代謝FXR-FGF15-Cyp7a1通路、以及影響肝葡萄糖異生、脂肪變性、動(dòng)脈粥樣硬化和胰島素抵抗的FXR-Smpd3-鞘氨醇軸。通過(guò)檢測(cè)相關(guān)的基因表達(dá)和代謝標(biāo)志物水平，發(fā)現(xiàn)小鼠腸道中這兩條通路均受到C. minuta處理的改變，具體而言：

對(duì)于FXR-FGF15-Cyp7a1軸而言，檢測(cè)到回腸中Fgf15下調(diào)表達(dá)，肝組織中Cyp7a1的濃度顯著增加。總體而言C. minuta對(duì)FXR-FGF15-Cyp7a1軸的調(diào)節(jié)有助于總膽汁酸的增加，這一結(jié)果也解釋了C. minuta處理后小鼠血液和肝臟中總膽固醇降低以及次級(jí)膽汁酸增加等現(xiàn)象。

對(duì)于FXR-Smpd3-ceramide軸而言，C. minuta處理的DIO小鼠中，編碼鞘磷脂磷酸二酯酶3的Smpd3水平以及血漿和回腸內(nèi)容中C16:0 ceramide的濃度顯著降低，顯示該信號(hào)通路被抑制，而這可能進(jìn)一步抑制肝臟的糖異生，從而解釋C. minuta處理緩解DIO小鼠的高血糖和肝病變現(xiàn)象。

以上結(jié)果揭示了由C. minuta衍生出的“3-O-acylated CA-intestinal FXR”腸-肝信號(hào)軸，并推測(cè)了C. minuta在DIO小鼠中通過(guò)該信號(hào)軸的調(diào)控機(jī)制。

圖4. C. minuta對(duì)DIO小鼠FXR腸-肝信號(hào)通路的影響

5. C. minuta的療效依賴于腸上皮的FXR

為驗(yàn)證C. minuta、3-O-酰基膽酸和腸道FXR信號(hào)之間確實(shí)存在聯(lián)系，作者通過(guò)構(gòu)建腸道FXR特異性敲除的小鼠模型重復(fù)了高脂飲食（HFD）和C. minuta 灌胃試驗(yàn)。結(jié)果表明，野生型對(duì)照小鼠在C. minuta的處理下并未出現(xiàn)因HFD而引起的肥胖、高血糖、血脂紊亂和肝損傷，而敲除小鼠的表型與對(duì)照小鼠相反，說(shuō)明C. minuta并未產(chǎn)生相應(yīng)的療效。此外，野生對(duì)照小鼠在經(jīng)過(guò)C. minuta處理后，其腸-肝FXR信號(hào)通路發(fā)生了與上文DIO灌胃小鼠相同的變化。以上結(jié)果表明，肝-腸FXR信號(hào)通路確實(shí)是C. minuta對(duì)宿主代謝起到療效的關(guān)鍵靶點(diǎn)。

此外作者還探究了C. minuta對(duì)3-酰基化修飾是否具有底物特異性，通過(guò)不同膽汁酸（CA、CDCA、UDCA、DCA、LCA、GCA、TCA、TCDCA和GCDCA）的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)除LCA和UDCA外，C. minuta對(duì)其余檢測(cè)的膽汁酸都顯示出酰化活性，但催化活性存在差異，比如對(duì)牛磺膽酸鹽（TCA和TCDCA）和DCA的催化活性較弱，而對(duì)甘氨酸膽酸鹽、CA和CDCA較強(qiáng)。

圖5. C. minuta對(duì)高脂飲食誘導(dǎo)的腸FXR敲除小鼠和野生對(duì)照小鼠的影響

6. 3-O-酰基膽酸在II型糖尿病人群中顯著降低

最后作者著眼于臨床轉(zhuǎn)化，探究3-O-酰基膽酸是否在人群中與代謝紊亂呈負(fù)相關(guān)。為此作者招募了46名志愿者，包括28名II型糖尿病患者和18名健康對(duì)照者，并收集其糞便樣本進(jìn)行3-O-酰基膽酸檢測(cè)。結(jié)果表明，II型糖尿病隊(duì)列的糞便3-O-酰基膽酸含量顯著降低，平均濃度較健康隊(duì)列中的低1.4到3.7倍。表明在代謝紊亂的臨床隊(duì)列人群中，除了C. minuta等有益腸道共生菌群豐度降低外，酰化膽酸等具有代謝調(diào)控作用的功能化合物也顯著減少。

圖6. 4種3-O-酰基膽酸和12種常見(jiàn)膽汁酸在II型糖尿病隊(duì)列的分布和濃度

研究結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)了一種以3-O酰基化為特征的新型次級(jí)膽汁酸，它是腸道FXR的天然拮抗劑，并解釋了以C. minuta為代表的腸道益生菌通過(guò) “腸道微生物—3-O-酰基氨酸—腸道FXR”的腸-肝信號(hào)軸的調(diào)節(jié)改善主代謝的新機(jī)制。

總而言之，該研究展示了C. minuta和其產(chǎn)物3-O-酰基膽酸在治療包括T2D在內(nèi)的代謝性疾病方面潛力，該結(jié)論在小鼠模型中得到了證實(shí)，并得到了人群隊(duì)列研究的支持，再次強(qiáng)調(diào)了腸道共生菌及其功能代謝產(chǎn)物在宿主代謝穩(wěn)態(tài)中的重要作用，為代謝性疾病的治療和預(yù)防提供了全新的思路。

參考文獻(xiàn)

Liu C, Du MX, Xie LS, et al. Gut commensal Christensenella minuta modulates host metabolism via acylated secondary bile acids. Nat Microbiol. 2024.

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