腸道菌群-靶器官多組學：16s和非靶代謝組學檢測應用于水蘇糖研究

陜西師范大學楊興斌教授團隊利用多組學研究水蘇糖

腸道菌群在調節(jié)多種生理功能方面發(fā)揮著重要作用，其衍生的代謝物顯示出與包括 2 型糖尿病在內的多種代謝疾病密切相關。近年來，多篇研究論證了腸道菌群介導的色氨酸代謝與 2 型糖尿病之間的特殊關系。因此，以腸道微生物群為導向，以調節(jié)微生物色氨酸代謝失衡為目標的飲食干預手段在防治2 型糖尿病及其相關代謝障礙方面具有巨大潛力。其中，水蘇糖作為非消化性益生元，已被報道能夠通過調節(jié)腸道中有益菌的豐度，促進短鏈脂肪酸的產生，進而改善 2 型糖尿病進展。

2023年2月，陜西師范大學食品工程與營養(yǎng)科學學院院長楊興斌教授團隊在Journal of Functional Foods上發(fā)表名為“Integration of microbial metabolomics and microbiomics uncovers a novel mechanism underlying the antidiabetic property of stachyose”的研究文章，利用代謝組學和16s技術闡明了水蘇糖可對 2 型糖尿病患者腸道菌群依賴的色氨酸代謝進行調控，這為水蘇糖抗糖尿病機制提供新的見解。中科新生命參與了該研究中16s和非靶代謝組學檢測的相關工作。
 

正常飲食（ND）小鼠、高脂飲食（HFD）小鼠、低劑量水蘇糖干預的高脂飲食（STA-Low）小鼠、高劑量水蘇糖干預的高脂飲食（STA-High）小鼠的糞便和血清樣本

技術路線 步驟1：色氨酸、水蘇糖干預糖尿病患者糞便的體外發(fā)酵；步驟2：代謝組學和16s發(fā)現(xiàn)干預前后的代謝物及微生物變化；步驟3：Spearman分析水蘇糖調控的微生物與色氨酸代謝產物的相關性；步驟4：小鼠模型證明水蘇糖對HFD誘導2型糖尿病的腸道菌群結構和色氨酸代謝重塑。

作者在糞便的體外發(fā)酵過程中分別添加色氨酸（TRP）和水蘇糖+色氨酸（STA），選取不同體外發(fā)酵時間的樣本非靶代謝組學分析以篩選被色氨酸和水蘇糖調控的代謝變化。結果顯示，色氨酸和水蘇糖均誘導了新發(fā)患者和常年糖尿病患者代謝物譜變化的獨特模式。具體而言，相對于未添加組（NC），在體外發(fā)酵系統(tǒng)中添加色氨酸可以增強色氨酸代謝物；而相比于TRP組，添加水蘇糖顯著促進色氨酸代謝物，如吲哚乙酸、吲哚丙烯酸和吲哚-3-羧酸的表達水平。

圖1 色氨酸和水蘇糖影響糞便體外發(fā)酵的代謝變化

2. 水蘇糖調節(jié)2型糖尿病患者糞便體外發(fā)酵過程中的菌群結構

使用16s擴增子測序以了解水蘇糖和色氨酸對糖尿病患者糞便菌群結構的影響，結果表明，水蘇糖改變了 2 型糖尿病患者的微生物群組成。為了探究色氨酸和水蘇糖在發(fā)酵過程中如何改變兩名糖尿病患者的糞便菌群組成，對差異菌進行趨勢聚類分析。結果發(fā)現(xiàn)，Bifidobacterium、Mitsuokella、Lactococcus 和 Catenibacterium 屬在 4 h 和 8 h 被色氨酸上調；水蘇糖在 4h顯著增加了乳桿菌屬、鏈球菌屬以及唾液乳桿菌的水平。

圖2 色氨酸和水蘇糖影響糞便體外發(fā)酵的菌群結構

3. 水蘇糖影響腸道菌群介導的色氨酸代謝

在觀察到水蘇糖對糞便微生物群和微生物代謝組的顯著影響的基礎上，作者進一步研究了水蘇糖改變的微生物群對色氨酸代謝的潛在調節(jié)。作者計算了發(fā)酵 4、12 小時的微生物群組成與 8、24 小時的色氨酸相關代謝物之間的 Spearman 相關性，發(fā)現(xiàn)色氨酸代謝物與 25 個屬呈正相關，而與 44 個屬呈負相關。具體而言，鏈狀桿菌、三足菌和雙歧桿菌與吲哚乙酸和吲哚丙烯酸呈正相關，與3-羥基-L-犬尿氨酸與呈負相關。乳桿菌屬與3-羥基-L-犬尿氨酸呈正相關，而與 5-羥色胺呈負相關。乳球菌屬與吲哚丙烯酸、吲哚乙酸和吲哚-3-乳酸呈正相關。這些結果表明水蘇糖可能通過調節(jié)菌群結構進而調節(jié)色氨酸代謝。
 

圖3 受水蘇糖調控的色氨酸代謝物與微生物的 Spearman 相關性

4. 水蘇糖重建高脂肪飲食誘導的肥胖小鼠的色氨酸代謝

在觀察了水蘇糖在體外發(fā)酵過程中對糞便微生物群和色氨酸代謝的調節(jié)作用后，作者進一步評估了這種作用是否可以在高脂肪飲食誘導的肥胖小鼠模型中得到證實。首先，HFD 引起的吲哚-3-丙/酸與色氨酸比例的降低被高劑量水蘇糖逆轉。此外，與 HFD 小鼠相比，水蘇糖給藥減少乳球菌和鏈球菌的豐度，增加了約氏乳桿菌、鼠乳桿菌、羅伊氏乳桿菌、假長雙歧桿菌和產酸擬桿菌的豐度。這些動物研究的結果是對體外研究的補充，突出了水蘇糖在預防 2 型糖尿病方面的潛力。
 

圖4 水蘇糖給藥對小鼠血清代謝物和糞便微生物的影響

 小結