本周第二篇 2020-ACS Cent. Sci. Review-Deciphering Human Microbiota−Host Chemical Interaction
为什么读这篇文章
- Emily是potentional可能去的组，从化学的角度去研究microbiota
- 了解基础的研究背景
Introduction
基础的背景知识：
- microbiota只占很小一部分的重量（~2kg），但是带来了巨大的基因组多样性
- 两个个体可以有99.5%以上相同基因，但是却可以拥有>90%不同的微生物组（基因）
- 微生物的基因是人体染色体携带基因的100倍
Bioactive small molecules from the human gut microbiota
- 最经典的2篇代谢组应用于microbiota的文章 2009 PNAS, 2020 Nature
- 肠道微生物衍生的代谢物生成的途径：
- 直接从摄取的化合物转化（transformation of ingested compounds）
- 修饰宿主来源的代谢物（host-derived substrates)
- 从头合成的代谢物 （de novo from primary metabolites）
ingested compounds
最经典的是短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs），来源于微生物对于饮食多糖的发酵，是结肠（dietary epithelium）的主要营养来源，能够达到毫克级别，在能量平衡和免疫功能发挥作用
host-derived substrates
研究最广的是胆汁酸（Bile acids），合成来源于宿主的胆固醇（Cholesterol），通过宿主肝脏酶合成，其固醇骨架连接glycine或者taurine。
- 基础：日常被存储在胆囊（gallbladder），释放到小肠，然后被再吸收，再循环（以上即为肠肝循环）。这个循环每天会进行多次，只有5%的BA会被跳过，会进入肠道微生物代谢。
- 已知的microbial BA biotransformations: oxidation, epimerization of hydroxy groups, dehydroxylation, and conjugation and deconjugation of the amino acid
- BA的作用：
- 表面活性剂作用（surfactant）来吸收食物来源的脂肪和亲脂维他命
- 信号配体，可以与FXR(farnesoid X receptor), G protein-coupled BA receptor (GPBAR1 or TGR5)等受体结合调节BA，lipids, glucose稳态，以及免疫和屏障功能
de novo from primary metabolites
Peptidoglycan (PG): 细菌生成的肽连接聚糖链的聚合物，其是大多数细菌细胞壁的主要成分
- 微生物细胞分裂时释放的PG碎片（叫做muropeptides），可以通过模式识别受体（host-encoded pattern recognition receptor）的NOD1和NOD2 domain 会参与到宿主免疫
- 当isoglutamyl-meso-diaminopimelic acid， muramyl dipeptide等结合NOD1, NOD2 domain时，会trigger 细胞内信号通路释放促炎因子（proinflammatory cytokines）
Using chemistry to decipher gut microbial metabolism
Understanding Known Metabolic Activities
- 大量的人体数据已经将体内代谢活动与肠道菌群相联系，但是这些转变的生物学重要性仍然存在很大不了解。其主要原因在于：哪些酶和生物体在起特定的作用，并如何从测序数据中发现他们，这些方面存在gap
- 结合一个特定的例子：胆固醇（Cholesterol)去介绍
- 考虑到胆固醇是在食物中发现，长久以来，肠道菌群代谢调节胆固醇水平的假说存在超过1个世纪。假说存在一个in vivo的转化反应，可以将cholesterol转化为coprostanol。后面的从一系列物种分离出来的菌表明可以通过减少gut的吸收从而降低胆固醇含量。
- 但是由于宿主相关菌株无法分离得到，这个机制研究无法进行
- Kenny等鉴定了cholestgerol-metabolizing human gut bacteria和酶（上图）。
- 从coprostanol formation这个未被研究过的菌入手，通过分析中间产物该反应需要NADP+而不需要O2，提示hydroxysteroid dehydrogenases（HSDs）的存在。这是一个没有被报道过可以作用与cholesterol的酶，但是有报道过BA相关的反应。然后通过domain prediction，transcriptional profiling和heterologous expression分析发现了IsmA （在E.coli中）。
- 然后通过matched gut metagenomics和metabolomics数据，发现ismA基因与coprostanol紧密相关，进而通过de novo gene assembly 和phylogentic approach显示他们存在于没有被人为培养的肠道菌落中。
- 然后作者在人群队列中发现编码ismA的人群显示出降低的cholesterol水平，这个影响要超过已知的人类基因，HMGCR和PCSK9
Discovering New Metabolic Activities.
没看懂
- 一些d
Future opportunities and challenges
Where Should We Look?
有意思的topic
Immune system
- 我们的大肠和小肠拥有更多的免疫细胞相对于人体其他组织，但肠道微生物如何与免疫系统相互作用，以及为什么有一些疾病限定于特定的区域都是值得探索的问题。
Endocrine System 内分泌系统
- 最让人信服的证据是通过菌群定植使GF小鼠具有供者的表型
- 目前主要集中在SCFAs如何调节和生成人类激素，但是还存在其他的介质。
- 举了一个Imidazole propionate 例子，会在有二型糖尿病的病人组上调。这个化合物来源于微生物通过UrdA酶代谢histine，这个酶在二型糖尿病中发现。通过定植实验，这个化合物可以增加胰岛素抗性，损伤insuline signaling。 （这个文献可以重点看下： 2018 Cell Microbially Produced Imidazole Propionate Impairs Insulin Signaling through mTORC1）
- 发现识别内分泌特异性微生物效应物（代谢物）和了解它们的作用模式，以及描述肠道微生物如何代谢宿主源激素
Nervous System. 神经系统
- 已知肠道菌群与很多神经疾病的进展相关，包括多发性硬化症（multiple sclerosis)，帕金森，阿尔兹海默，自闭症
- 尽管不知道因果，但是很多证据表明gut-brain存在信息交换，即gut-brain axis
- 最早的例子：Bravo, Forsythe等对小鼠施加益生菌probiotic （Lactobacillus rhamnosus）可以通过迷走神经来调节宿主的行为和GABA受体的表达水平 2011 PNAS。后面包括，GABA水平与抑郁症成反比
Infant Gut Microbiota. 婴儿肠道菌群
- 人类菌群从出身即被移植，其组成在前3年会有明显的变化，然后趋于稳定至成年。
- 这个组装的方式从分娩开始就可能有所不同，甚至会影响老年的健康，但是这种菌群如何婴儿健康的机制很不清楚。
- 可能来源于婴儿营养，比如乳房喂养（breast-feeding）和奶瓶喂养(bottle-feeding)可能会造成早期菌群的差异等等 [对应的几篇文章：XXX]
- 还举了一个human milk oligosaccharides (HMO)的例子，无法被host enzymes分解，但是可以被肠道菌群代谢
Tools and Approaches
Discovering Metabolites using Metabolomics
- 发现新的菌群代谢物的方式：
- activity-guided isolation: 通过生物活性筛选从复杂样本中发现新的活性组分
- functional metagenomics: 从microbia的DNA出发，产生、纯化和发现活性成分
- untargeted metabolomics: 难点：联系未知谱图与结构
Identifying Responsible Organisms, Genes, and Enzymes.
- 难点: 自动的基因注释错误率高，基因的可操作性和体外培养能力有限，尤其是对那些低丰度的菌部
- 可能的方案：新的实验方法-基因编辑菌群，以及发现分离表征特定的菌群
- 用蛋白二级结构相似性进行注释
Ecucidating effects on the Host.
- 重点: GF小鼠是对于机制研究是一个有争议的点，与普通小鼠相比，存在免疫系统（lack of early immune education）,解剖学（增大的盲肠）以及代谢上的巨大不同
- 可能的方案：Organ-on-a-chip platforms & organoids