代谢组学研究手段

每周“一更”的小鹿话代谢系列又来喽~~还记得上期小鹿介绍的代谢组学在医药领域的主要应用方向吗？（见下图）上期小鹿分享了代谢组学在医药机制研究中的实验设计方案（包含多组学联合及代谢组学+宏基因组）的实验设计方案，详情请戳一看到导师就害怕？你也有“导师恐惧症”吗本期小鹿主要请到了上海交通大学药学院，现任国家肝癌科学中心助理研究员彭博（主要研究方向为：利用代谢组学和蛋白组学技术进行肝癌、胆管癌的病理机制研究以及癌症诊断标志）。接着分享代谢组学在医药领域的机制研究设计方案，本期主要专注于经典分子生物学+代谢组学，及单纯代谢组分析实验设计方案。经典分子生物学+代谢组学文献一Disruption of phospholipid and bile acid homeostasis in mice with nonalcoholic steatohepatitis案例来源：《Hepatology》2012, IF=14.67（Tanaka, et al. Hepatology, 2012; 56(1):118-29. doi: 10.1002/hep.25630）原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22290395/研究目的：非酒精性脂肪肝炎磷脂和胆汁酸代谢紊乱的机制样本来源：大鼠模型研究手段：大鼠造模，包括单纯性脂肪病变模型（SS）和非酒精性脂肪肝炎模型（NASH），然后搜集血清进行非靶向代谢组分析使用技术：LC-MS非靶向代谢组学、PCR实验设计和关键结论展示：图1 | 实验设计结论1：MCD喂养能形成非酒精性脂肪肝炎模型（NASH），MCS喂养能形成单纯性脂肪病变模型（SS），二者代谢谱具有显著差异，其中LPCs 在MCD组显著下降，结合态胆汁酸和类二十烷酸代谢物12-HETE在MCD组显著升高。结论2：定量PCR检测肝组织中相关代谢酶mRNA的水平，发现Lpcat 酶是显著上调的，其调控胞内LPC和PC的水平，间接调控血清中LPC的水平；花生四烯酸代谢酶Alox12显著升高，导致12-HETE的水平升高；胆汁酸合成酶的表达没有明显变化，但转运胆汁酸进入肝细胞的蛋白（Slc10a1, Slco1a1）表达下调，且负责胆汁酸外排入血的蛋白（Abcc1, Abcc5等）表达上调，最终导致血清中胆汁酸的含量升高。结论3：炎症因子（TNFα和TGFβ）能诱导正常肝细胞中相关代谢酶的表达变化。图2 | 非酒精性肝炎磷脂代谢和胆汁酸代谢紊乱的机制小鹿点评Tanaka 这位日本科学家在非酒精性肝炎的机制研究方面做出了非常多有意义的工作，本文并没有使用大规模的临床样本，而是采用非常经典的非酒精性肝炎造模，结合非靶向代谢组学技术研究非酒精性肝炎和单纯脂肪性病变的磷脂和胆汁酸代谢异常的机制，尽管在现在来看，该机制的阐述还不太完美，还有许多值得补充的地方，但作为一篇10前的文章，已然很了不起，且文章中的许多结果经过了时间的检验，迄今仍具有重要的参考价值。小鹿物语以临床样本为研究对象固然是好，但这种临床资源较难获取，涉及到许多伦理问题，且实验的条件并不太可控，因此在机制的研究方面，动物模型不失为一个很好的选择。单纯的代谢组分析文献二Metabolic characterization of hepatocellular carcinoma using nontargeted tissue metabolomics案例来源：《Cancer Research》2013, IF=9.72（Huang, et al. 2013; 73(16):4992-5002. doi: 10.1158/0008-5472.CAN-13-0308.）原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23824744/研究目的：研究肝癌（HCC）的代谢特征样本来源：50例HCC患者组织+298例肝病患者血清研究手段：基于LC-MS的非靶向代谢组技术研究HCC组织的代谢特征，并筛选潜在的诊断标志物，然后用大样本进行验证使用技术：LC-MS非靶向代谢组学实验设计和关键结论展示：图3 | 实验设计结论1：HCC的代谢特征为：TCA循环代谢物、溶血磷脂和多不饱和脂肪酸水平下降，饱和脂肪酸、糖酵解、氨基酸和磷脂的水平上升。结论2：甜菜碱（Betaine）和丙基肉碱（Propionylcarnitine）作为诊断标志物组具有很好的区分HCC 与肝炎和肝硬化的能力，其联合诊断的灵敏度和特异性要远优于目前临床使用的肝癌诊断指标AFP，尤其在AFP表达阴性的HCC患者中，诊断准确性也在92%，具有很好的临床应用前景。小鹿点评这篇论文的设计思路并不复杂，利用小样本群研究疾病的代谢特征，寻找潜在的诊断标志物，利用大样本群对诊断标志物的诊断能力进行验证。最终HCC的代谢特征得到了很好的表征，同时筛选到两个具有临床诊断潜力的HCC标志物。这篇文章在当时是最大规模样本和最全面的肝癌代谢组研究。美中不足的地方是：（1）两个诊断标志物并未作绝对定量分析，因此也无法计算其Cut off 值；（2）没有健康人的血清做对照，不清楚这两个诊断标志物在健康人血清中的表达水平。小鹿物语代谢组学经过了数十年的发展，大部分疾病的代谢谱特征都被公开报导了，因此如果想以此研究思路进行疾病的代谢谱分析或筛选诊断标志物，那么研究对象（研究疾病）的选择一定要有稀缺性（稀有疾病或样本很难获取的疾病），同时要兼具一定的样本规模。此外，在筛选癌症标志物的过程中，尽量加入同类型相关的非癌疾病组作为对照，比如此篇论文中就加入了肝炎和肝硬化作为肝癌的对比分析组，客观来说，癌症和健康组的血清代谢谱差异是很大的，很容易找到差异代谢物，但是非癌相关疾病与癌症组的差别就比较小，往往难以区分，因此如果想真的筛选一些具有应用价值的标志物，非癌相关疾病组的引入非常重要。更多小鹿话代谢专刊◆小鹿话代谢专刊一：代谢组学——后基因组时代新热点◆小鹿话代谢专刊二：还在为实验发愁？看完这篇科研好文我被“种草”了◆小鹿话代谢专刊三：一看到导师就害怕？你也有“导师恐惧症”吗◆最新热点：鹿明生物再添高端质谱仪：tims TOF Pro—基于捕获离子淌度的4D蛋白质组学◆鹿明新品：“伤肝？”有绝招！42种哺乳动物常见胆汁酸及胆汁盐精准靶向代谢包END文章来源于鹿明生物

在高通量测序的大力推动和快速发展下，微生物组学研究进入到了多组学的时代。为更好满足科研人员多组学联合分析需求，美格基因基于科研需求及以往项目经验，全新推出微生物组+代谢组联合分析解决方案，克服单一组学研究局限性，多角度解释科学问题！今天为大家分享一篇发表在mSystems上的研究，研究对定殖耐万古霉素屎肠球菌的微生物群与微生物组-代谢物相关联进行了探究，是一篇微生物组+代谢组多组学运用的佳作！Microbe-Metabolite Associations Linked to the Rebounding Murine Gut Microbiome Postcolonization with Vancomycin-Resistant Enterococcus faecium定殖耐万古霉素屎肠球菌的微生物群与微生物组-代谢物相关联作者：Andre Mu 等期刊：mSystems时间：2020IF：6.519DOI：10.1128/mSystems.00452-20方法：16S+代谢组一、文章摘要具备万古霉素抗性的屎肠球菌（Enterococcus faecium，VREfm）是近年来出现的一种病原菌，人们开始研究VREfm定殖人类肠道的分子机制，但对该过程中肠道共生细菌的作用仍然不甚理解。在此，作者通过16S扩增子和代谢组研究小鼠肠道微生物对VREfm定殖的作用。经头孢曲松和VREfm处理，小鼠肠道微生物的转变发生在拟杆菌门和柔膜菌门间。研究细菌和代谢物共现性时找到了VREfm定殖初期及后期的与丁酸相关的典型代谢物，这些与拟杆菌有关的代谢物能指示微生物群落向原始状态过渡的状态。本研究说明了抗生素对肠道生态系统的影响，以及定殖VREfm后肠道微生物组的转变。未来或可优先选择用拟杆菌来改调节代谢组，已作为消除VREfm的非抗生素疗法。二、实验设计实验样品来自六周龄雄性小鼠（naive phase）。将头孢曲松添加到饮水中喂养小鼠2d（antibiotic treatment），停用1d后（antibiotic weaning）将屎肠球菌ST796移植到小鼠中（early VRE colonization and late VREfm colonization phases）。提取小鼠粪便DNA进行16S rRNA测序，同时进行粪便代谢物的液相色谱分析，构建微生物与代谢组之间的网络关系。三、实验结果1.扩增子测序结果表明微生物结构发生了变化表1 样品总结N：原始样品；Abx-Tx：抗生素处理期；Abx-Wn：抗生素适应期；VRE-E：VREfm定殖早期；VRE-L：VREfm定殖后期经不同处理，各样品的OTU丰度有所差异（图1）。经过头孢曲松喂养，小鼠肠道的优势物种从拟杆菌纲变成了柔膜菌纲，而在VREfm定殖后期又恢复成了拟杆菌纲。图1 纲水平上OTU的生物多样性2. 小鼠肠道微生物响应抗生素，在VRE定殖3d后丰度上升从PCoA图可以看到，不同处理的样本明显分开了，而头孢曲松处理和VREfm定殖后期的样本有聚类到一起的趋势（图2）。在群落组成方面，对照组中微生物的群落结构稳定，多样性高。经头孢曲松处理后群落多样性和稳定性急剧下降，而VREfm的定殖又进一步增强了这种效果，3d后微生物群落丰度开始恢复。这些结果说明小鼠肠道是个稳定的微生物保存库，被干扰后群落丰度也能够恢复到最初的状态。图2 多样性分析3.多重回归寻找与VREfm定殖相关的sOTUs利用多重回归寻找与VREfm定殖最相关的OTU，5个正相关的OTU分别来自肠球菌属（Enterococcus）、拟杆菌属（Bacteroides）、丹毒丝菌科（Erysipelotrichaceae）、过氧化氢酶杆属（Catabacter）、毛螺菌科（Lachnospiraceae），而负相关的是梭菌目（Clostridiales）、安德克氏菌属（Adlercreutzia）、柔膜菌纲（Mollicutes）、消化链球菌科（Peptostreptococcaceae）和梭菌目（Clostridiales）。VREfm定殖的第一天，肠球菌属丰度最高，说明肠球菌也许能阻碍VREfm定殖（图3）。图3 多重回归检测到一种肠球菌与VREfm定殖相关性最强4.分子网络鉴定代谢组的差别用MS-LC检测不同时间段小鼠肠道代谢物的变化（表1）。PCoA分析结果显示各样品间代谢组不同（图4）。在实验初始阶段和VREfm定殖后期的代谢组聚类到了一起，抗生素处理后和VREfm定殖前期的聚类到了一起。这说明两个时期的样本情况更相似。使用自由森林分析预测代谢物与实验组之间的相关性。结果表明每个实验阶段都有独特的代谢特征。重要的是，VREfm定殖后期样本中找到一种含有n -乙酰化羟基的未知代谢物（feature 6325），该物质仅在群落向初始状态转变时出现。另外，在用抗生素处理期间头孢曲松（feature 3901）的丰度最高。图4代谢组学分析5.拟杆菌相关代谢物与VREfm定殖后期相关不同实验阶段微生物和代谢物的丰度差别都较大，尤其是VREfm定殖后期。分析微生物-代谢物互作时发现，VREfm定殖后期肠球菌起到非常重要的作用，恢复的细菌中拟杆菌的OTU占了绝对丰度，该阶段检测到的2个代谢物为m/z 173.067 RT 18.392和m/z 167.083 RT 25.277。而m/z 245.055 RT 7.945与VREfm定殖后期高度相关。整体数据说明是肠道微生物引起了代谢物的改变。图5 微生物-代谢物双标矢量图四、小结屎肠球菌（VREfm）有潜在的对抗多种抗生素的能力，它们对人类健康的威胁日渐增强。有研究表明肠道微生物能够调整VREfm生长，抑制VREfm的毒力。本研究探索了抗生素处理和VREfm定殖条件下肠道微生物和代谢物的变化情况，找到了与VREfm相关的微生物和代谢物分别为肠球菌和feature 6325。这为进一步的研究提供了参考，未来，也许可以通过利用肠道微生物产生的益生元来治疗多抗生素抗性病原菌的感染。五、点 评16S rRNA测序虽然可以方便地研究肠道微生物群的组成，但由于目前对于细菌基因库认知的不完全性，限制了对有关代谢物影响的理解。为了更好的理解小鼠肠道微生物对VREfm定殖的作用，作者有效地结合微生物组和代谢组进行多组学联合分析，构建了微生物与代谢组之间的网络关系，并找到了VREfm定殖初期及后期与丁酸相关的典型代谢物，填补了肠道微生物功能研究数据上的空白。您可能还喜欢：研究思路｜三代宏基因组应用案例解读（第3期）产品升级｜美格基因重磅推出微生物组+代谢组联合分析解决方案美格基因2020年上半年项目文章大盘点！

1、代谢组学是什么？代谢组学是继基因组学和蛋白质组学之后新近发展起来的一门学科，是系统生物学的重要组成部分。基因组学和蛋白质组学分别从和蛋白质层面探寻生命的活动，而实际上细胞内许多生命活动是与代谢物相关的，如细胞信号（cell signaling），能量传递等都是受代谢物调控的。代谢组学正是研究代谢组（metabolome）——在某一时刻细胞内所有代谢物的集合——的一门学科。基因与蛋白质的表达紧密相连，而代谢物则更多地反映了细胞所处的环境，这又与细胞的营养状态，药物和环境污染物的作用，以及其它外界因素的影响密切相关。因此有人认为，基因组学和蛋白质组学能够说明可能发生的事件，而代谢组学则反映确实已经发生了的事情。但是从茫茫多的代谢产物中选取研究对象，无疑是大海捞针。上海硕源健标功能医学实验室通过一定的手段能够帮助研究人员从代谢产物海中跳出来，提供一个“航拍”的视角，一目了然地发现差异性代谢产物。然后通过已知的代谢通路逆推找出调节酶和基因，完成疾病发病机制、药物治疗机制等方面的研究。2、为什么选择代谢组学作为科研技术手段？1）小分子的产生和代谢是生物机体作用的最终结果，生物体液的代谢产物分析能够更直接，更准确的反映生物体的病理生理状态。2）基因和蛋白质表达的有效微小变化会在代谢物上得到放大，从而使检测更容易；3）代谢组学的代谢物信息库简单，但它远没有全基因组测序及大量表达序列标签的数据库那么复杂；4）代谢物的种类少，要远小于基因和蛋白质的数据，物质的分子结构要简单得多。5）代谢产物在各个生物体系中都是类似的，所以代谢组学研究中采用的技术更容易在各个领域中通用，也更容易被人接受。3、代谢组学检测的手段有哪些？主要技术手段是核磁共振（NMR ），液-质联用（LC-MS），气-质联用（GC-MS），色谱（HPLC，GC）等。通过检测一系列样品的谱图，再结合化学模式识别方法，可以判断出生物体的病理生理状态，基因的功能，药物的毒性和药效等，并有可能找出与之相关的生物标志物（biomarker）。4、代谢组学可以检测哪些样品？代谢组学主要研究的是作为各种代谢路径的底物和产物的小分子代谢物（MW<1000）。其样品主要是尿液，血浆或血清，唾液，以及细胞和组织的提取液。我们也做过植物，真菌，微生物提取物，脑脊液，淋巴液，昆虫血淋巴，羊水，卵泡液，膝盖滑液，眼泪，精液，粪便及肠道内容物提取液等。5、代谢组学能检测出多少物质？不同的平台其灵敏度及偏向性都不一样，而且不同的平台之间具有互补性。一般来说，NMR的灵敏度最低，能检测并定性的物质少于100个，其优势是简单，无损伤，可定量。质谱的灵敏度大概是NMR的1000倍，GC-MS检测血清样品定性的物质约300个左右，检测尿液样品定性的物质约600个左右，其他样品也在几百这个数量级。如果采用全二维GC-MS，物质的数量要翻倍，一般1千个以上。LC-MS检测物质的数量要比GC-MS少一些，一般100个以上。6、三个平台我怎么选择？三个平台之间具有互补性，经费允许的情况下最好三个平台都做。如果是粪便及肠道内容物，建议采用NMR，其他样品建议首选GC-MS，因为其得到的物质多，且容易定性。7、我的实验该如何设计？很多朋友都做过基因芯片，高通量测序，蛋白组学的实验，检测人员都会告诉您，3-4次生物学重复足够了，如果经费紧张，1对1的实验也做过不少，还有把同组样品pooling的，但是代谢组学却不是这样。我给大家提供一个参考值：植物，微生物设计6-8个平行样品，模式动物设计10个左右平行样品，临床标本设计20-30例平行样品（所有样品当然越多越好）。注意，样品不能pooling，不能反复冻融，血清/血浆不能溶血。另外，如果是用血浆，请用肝素钠抗凝，EDTA抗凝效果不好。如果是做NMR，还需要注意不能有酒精（取样的时候注意），麻醉剂的选择。如果是尿液，粪便，肠道内容物等，还需要添加叠氮化钠。8、数据该怎么分析？数据分析的内容包括：Part01：数据预处理Part02：PCA分析Part03：PLS-DA分析Part04：OPLS-DA分析Part05：差异化合物筛选Part06：差异化合物鉴定Part07：多组分关联分析（同一个体同时取多组分）Part08：代谢通路分析Part09：多组学数据关联分析（具备多组学数据）9、质谱的类型1）四级杆质谱仪，QMS；（是最常见的质谱仪器，定量能力突出，在GC-MS中QMS占绝大多数，无串极能力，定性能力不足，分辨力较低（单位分辨），存在同位素和其他m/z近似的离子干扰。比如安捷伦的7890A/5975C系统）2）飞行时间质谱仪，TOFMS；（速度最快的质谱仪，分辨能力好，有助于定性和m/z近似离子的区别。无串极功能，限制了进一步的定性能力。售价高于QMS，较精密，需要认真维护。比如leco pegasus HT GC-TOF-MS系统）3）三重四级杆质谱仪，QQQ（定量能力非常好，分辨力不足）；4）离子阱质谱仪，ITMS；5）线性离子阱，LinearIonTrap;6）四级离子阱，QTrap;7）四级杆飞行时间串联质谱，QTOF；（作为质量过滤器，以TOFMS作为质量分析器，能够提供高分辨谱图定性能力好于QQQ，速度快，适合于生命科学的大分子量复杂样品分析。成本高，需要仔细维护。比如Waters ACQUITY UPLC/Micromass Q-TOF Premier MS 系统）8）离子阱-飞行时间质谱，TrapTOF；9）线性离子阱-飞行时间质谱，LIT-TOF；10）磁质谱，SectorMS;11）傅立叶变换质谱仪，FT-ICR-MS；12）静电场傅立叶变换质谱，Orbitrap。10、硕源健标实验室有机酸检测：目前，我们可以检测出的有机酸有300多项，报告中实际报出74项，有效检测出人尿液中有机酸72项，能反应碳水化合物、氨基酸、脂肪等三大营养物质代谢和摄取的状况、细胞产生能量的效率、神经传导物质的平衡、身体对维生素和矿物质的需求、解毒的能力，以及肠道菌群生态环境。帮助医师发现隐藏的问题和查明哪里是治疗的焦点。

我们知道随着代谢组学的不断发展，对代谢物定性定量准确性不断提高，代谢组学在医药学领域的应用越来越广泛。小鹿特地总结了代谢组学在医药领域的主要应用方向（机制研究、标志物筛选和药效评价）及其对应的实验设计思路（见下图）。看完这个设计方案是不是眼前一亮那小鹿就先跟您说一说，医学代谢组学中的机制研究最热门的技术方式吧~~案例一多组学联合：基因组、转录组、蛋白组、代谢组、单细胞测序案例来源：《Journal of Hepatology》 2020, IF=20.58 （López-Vicario et al. J Hepatol.，2020; S0168-8278(20)30208-7. doi: 10.1016/j.jhep.2020.03.046.）原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32294533/研究目的：研究肝癌的瘤内异质性样本来源：8个病人的42个样本（医院手术样本）+298个HCC样本（购买组织芯片）研究手段：利用5种组学技术（基因组、转录组、蛋白组、代谢组、单细胞测序）研究细胞与细胞、亚克隆与亚克隆、病变体与病变体、病人与病人之间的肿瘤异质性使用技术：基因组、转录组、蛋白组、LC-MS非靶向代谢组、单细胞测序、免疫组化、定量PCR实验设计和关键结论展示图 | 实验设计和分析流程结论1：所有病变体的免疫细胞单细胞测序和聚类分析表明：肝癌（HCC）可以分为三个亚型结论2：不同HCC亚型的TCA循环，糖酵解，尿素循环以及核苷合成途径等代谢特征是不同的结论3：用含有298个HCC样本的组织芯片进行免疫组化分析，对HCC分子分型的合理性进行验证，结果发现HCC不同亚型的免疫标志物CD45 和 Foxp3的表达具有明显差异，且与患者生存期具有显著相关性，因此免疫标志物CD45 和 Foxp3可以作为HCC的预后标志物小鹿简评本文先利用几十个样本的多组学联合分析，全面研究HCC的异质性，并将HCC划分为三个亚型，每个亚型都有自己独特的代谢特征，随后利用大样本的HCC组织芯片对不同亚型的免疫标志物CD45 和 Foxp3的表达情况进行研究，发现不同亚型的免疫标志物CD45 和 Foxp3的表达具有明显差异，且与患者生存期具有显著相关性。肝癌肿瘤异质性是导致肝癌化疗失败的重要原因之一，更为精细的分子分型有助于治疗方案的选择和预测预后效果，具有很好的临床意义，这也是本文能发表在《Gut》上的重要原因。小鹿物语利用科学技术解决临床的实际问题是医生和科研工作者的共同责任，但目前的大环境下专职科研工作者不上临床，只低头做基础研究，并不了解临床上需要解决的问题，相反临床医生十分了解临床上的一些待解决的问题，但由于医务工作繁忙而无暇科研。因此，专职科研工作者与临床医生的沟通与合作，对于选择好的研究切入点十分重要。毕竟科学技术手段大部分是相同的，很多人都能用，很难具有原始创新，只有紧贴临床需求，提出一些好的研究点，解决一些临床上实际存在的痛点，才是医学科研的价值所在。案例二多组学联合：代谢+宏基因组案例来源：《Nature》 2016, IF=40.13 （Pedersen HK, et al. Nature, 2016; 535(7612):376-81.doi: 10.1038/nature18646.）原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27409811/研究目的：肠道菌群与宿主血清代谢表型及胰岛素敏感性的关系样本来源：291个非糖尿病人+75个2-型糖尿病患者研究手段：代谢组+宏基因组联合分析，找到与胰岛素抗性相关的肠道群，然后在动物模型上验证使用技术：LC-MS非靶向代谢组（检测脂相关代谢物）、GC*GC-TOF/MS非靶向代谢组（检测亲水性代谢物）、宏基因组实验设计和关键结论展示图 | 实验设计和分析流程结论1：胰岛素抗性（IR）人群的代谢表型包括：支链氨基酸（BCAA）合成、TCA循环、甘油三脂；胰岛素敏感性（IS）人群的代谢表型包括：磷脂和奇数碳原子且高不饱和的脂肪酰甘油三脂。结论2：肠道菌P. copri 和 B. vulgatus是支链氨基酸（BCAA）合成与胰岛素抗性正相关的重要驱动因素，且P. copri 肠道菌更为关键。结论3：肠道菌种群丰度的变化是导致宿主血清支链氨基酸水平改变的重要因素，并与宿主胰岛素抗性紧密相关。胰岛素抗性（IR）群体中，肠道菌P. copri 和 B. vulgatus 丰度高，B. crossotus 和 E. siraeum丰度低。前两个菌种与BCAA合成相关，后两个菌种与BCAA转运进菌体相关，肠道菌群丰度的变化导致BCAA合成增加，转运进菌体的量减少，最终导致宿主血清BCAA水平升高与胰岛素抗性。小鹿简评本文是肠道菌群与疾病相关研究的一篇经典论文利用了两个平台（LC-MS和GC*GC-MS）对血清代谢组进行了全覆盖，同时与大样本的宏基因组数据进行了关联分析，找出胰岛素抗性相关的代谢表型（BCAA升高）同时又追溯了与此代谢表型相关的几个重要的肠道菌群种属，并在动物模型上进行了验证。整个实验设计和分析简洁清晰且逻辑严密，最终的结论既阐明了胰岛素抗性的机制，又给糖尿病治疗带来了有价值的新治疗策略，是一篇兼具理论价值和临床应用价值的论文。小鹿物语条件允许的情况下，LC-MS 和GC-MS的联合分析对代谢物进行全覆盖是一个很好的策略，毕竟不同平台对代谢物的检测还是有明显偏向性的。此外，代谢组与肠道菌群的关联分析是解析肠道菌群与某种疾病关系的必要一环。仅依靠代谢组分析是没办法注释到某种肠道菌群上去的，因为很多初级代谢物，如氨基酸、脂等既可能来自于食物、又可能来自于肠道菌合成，也可能来自于宿主自身合成，同时肠道菌群的种属异常多，且初级代谢物也是菌体生命活动的基本保障，因此不进行关联分析而直接给代谢物进行肠道菌种属的注释，可能不太严谨。结语那么如何缓解“导师恐惧症”呢？为了缓解“导师恐惧症”，小鹿带来了【小鹿话代谢系列】为各位科研人带来好的研究思路和站得住脚的论据，以此“说服”导师，如果还需要增加一剂疗程，可关注下期小鹿话代谢——纯代谢组学（医学篇）！另外，针对本期小鹿分享的医学代谢组学的机制研究中，易明学院明学院也推出了原文作者国家肝癌科学中心助理研究员彭博所著课程。详情请百度搜索易明学院访问~~更多小鹿话代谢系列◆组学课程大放送：科研人打开双11的最佳方式：快速解锁你的科研技能◆临床微量样本检测策略：临床SCI研究福音：FFPE、微量样本等临床样本怎么研究？有这招就够啦◆小鹿话代谢系列：还在为实验发愁？看完这篇科研好文我被“种草”了◆小鹿话代谢系列：代谢组学——后基因组时代新热点END文章来源于鹿明生物

今天为大家分享几篇微生物组+代谢组多组学应用在肠道样本中的文献案例。案例1题目：饮食和运动在肠道微生物-宿主共代谢中的作用研究期刊：mSystemsIF：6.633发表时间：2020.12DOI号：10.1128/mSystems.00677-20研究方法：16S+宏基因组+靶标代谢组本文为了研究饮食和体育锻炼对新陈代谢和肠道微生物群的单独和联合影响，收集运动员和不经常运动的人的粪便和尿液样本，比较两组样本之间代谢表型和肠道微生物的差异。结果发现，两组样本间表现出独特的代谢表型和微生物多样性差异。微生物多样性与高度坚持健康饮食习惯和身体锻炼相呼应，并与一系列不同的微生物衍生代谢物相关。案例2题目：代谢和代谢紊乱与微生物群：与肥胖、脂质代谢和代谢健康相关的肠道微生物群：病理生理学和治疗策略期刊：GastroenterologyIF：17.373发表时间：2020.11.27DOI号：10.1053/j.gastro.2020.10.057研究方法：16S+宏基因组+代谢组本文通过对肠道微生物群与代谢性疾病、脂质代谢的关系等方面进行综述，对于促进理解代谢组学和微生物组学的关联性研究、了解当下的研究背景和热点有很高的参考价值。目前在流行病学研究和对无菌小鼠粪便移植影响的研究中发现肠道微生物群的变化与肥胖和2型糖尿病有关，本综述结合小鼠模型的相关研究，讨论将其用于人体健康代谢改善的方法。案例3题目：妊娠糖尿病中肠道细菌和代谢特征的改变及其相互作用期刊：Gut MicrobesIF：7.740发表时间：2020.11DOI号：10.1080/19490976.2020.1840765研究方法：16S+宏基因组+代谢组经证实，宏基因组学与代谢组学联合分析是揭示肠道微生物组成和各种疾病功能的有效方法。本研究通过分析肠道微生物和代谢产物之间的相关性，探究了妊娠糖尿病中肠道细菌和代谢特征的改变及其相互作用。研究发现妊娠糖尿病患者的微生物和代谢特征与健康孕妇显著不同，其中Lachnospiraceae和Enterobacteriaceae的OTUs与参与宿主糖类代谢的几种代谢物形成强烈的共现关系，表明微生物成分和代谢功能的改变可能与妊娠糖尿病的发病机制和病理生理有关。点 评16S rRNA测序虽然可以方便地研究微生物群的组成，但由于目前对于菌群基因库认知的不完全性，限制了对有关代谢物影响的理解。宏基因组测序为现有的基因提供了更深入的了解，但这些基因中的大多数功能仍然未知。为了进一步了解相关微生物菌群的功能潜力，可以进行微生物组+代谢组多组学联合分析，在了解微生物多样性的同时，探寻微生物对机体生化和功能的影响。上述几篇研究结合微生物组和代谢组多组学联合方法，构建了微生物与代谢组之间的网络关系，克服了单一组学研究的局限性，多角度理解微生物与代谢关系之间的联系，填补了微生物与代谢关系研究数据上的空白。您可能还喜欢：GeoChip助力中科院在地学类一级期刊发佳作！研究思路｜微生物组+代谢组多组学应用案例解读（第一期）研究思路｜三代宏基因组应用案例解读（第3期）

近日，中国科学院大连化学物理研究所高分辨分离分析及代谢组学研究组研究员许国旺团队对前期提出并发展的拟靶向代谢组学方法进行系统总结和提升，相关结果形成范本在《自然-实验手册》上发表。代谢组学是研究内源性代谢物的科学，超高效液相色谱-质谱是广泛使用的分析工具。代谢组学分析策略主要有非靶向和靶向两种，前者一般使用高分辨质谱获得丰富的代谢物信息，但存在数据复杂、重复性差、线性范围窄等缺点；后者一般使用三重四极杆质谱，数据质量有很大提高，但通常只检测已知代谢物，覆盖度低。针对上述特点，该研究团队于二零一二年首次提出拟靶向代谢组学的概念。其创新之处在于，提出了一种定量离子选择算法，用于对所有检测到的代谢物进行定量离子选择，通过保留时间锁定气相色谱-质谱选择离子监测方式，样品中已知和未知的代谢物均可被测量，该方法兼具非靶向和靶向代谢组学的优点。二零一三年，该方法被延伸到液相色谱-质谱领域，在方法建立时用高分辨质谱获取代谢物的离子对信息，而在实际样品分析时采用靶向的多反应检测（MRM）方式测量代谢物的丰度，方法覆盖度高、线性和重复性良好，且不需要标样来限定检测的代谢物。为提高方法建立的效率，该研究团队进一步开发自动挑选离子对的软件，并建立针对大规模临床样本分析的数据校正方法，对超千个样品的分析也获得了较好的重复性。在此基础上，为提高方法中包含的离子对个数，提高覆盖度，该研究团队发展了基于SWATH技术的拟靶向代谢组学方法，在正离子下即可在血浆中获得1373个离子对。在研究脂质结构-质谱特征规律、色谱保留规律的基础上，该研究团队建立了高覆盖度拟靶向脂质组学分析新方法，涵盖19个脂类、3377个脂质离子对，覆盖7000多种脂质分子结构。在近期的工作中，为进一步提高覆盖度，该研究团队在高峰容量的二维液相色谱-质谱系统上建立拟靶向方法，正离子模式和负离子模式分别检测到1294和687个离子对，建立的二维液相色谱-质谱拟靶向代谢组学方法可用于分离分析氨基酸、胆汁酸、肉碱、溶血磷脂、鞘脂、磷脂和甘油三酯等。这些方法已在恶性肿瘤（肝癌、肺癌）和糖尿病等代谢性疾病的研究中发挥积极作用。目前，高覆盖度的（半）定量代谢组学方法在生命科学各领域均受到重视，拟靶向方法将会起到越来越重要的作用。为促进更多的同行使用拟靶向方法，基于上述前期工作，以血清/血浆为例，该研究团队进一步优化拟靶向代谢组学建立流程，升级并提供开放式软件和工具，形成方法范本。相关工作得到国家自然科学基金项目、国家重点研究开发计划项目、大连化物所科研创新计划项目的资助。来源：中国科学院大连化学物理研究所论文链接：https://www.nature.com/articles/s41596-020-0341-5

大家好，今天为大家推荐一篇来自nature chemical biology上的文章“Chemically informed analyses of metabolomics mass spectrometry data with Qemistree”，文章的通讯作者是来自加州大学圣地亚哥分校的Pieter C. Dorrestein教授，他们课题组主要关注质谱数据的分析和代谢物的鉴定。代谢小分子的鉴定一直是研究生命活动的一个关键步骤。在2012年，研究者们建立了分子网络将质谱上的碎裂谱图与小分子进行了对应，大大促进了小分子结构的指认。但是在复杂的代谢组学样品鉴定中仍然存在很多无法指认谱图的现象。本篇文章就希望能够将树状结构与机器学习与小分子网络相结合，更好地指认小分子的质谱谱图来源。文章开发了Qemistree方法，这一方法首先依靠SIRIUS和CSI:FingerID来获得预测的小分子碎片指纹谱图。用户需要输入获得的小分子二级质谱来进行比对。这两个数据库可以分别从同位素或pattern以及机器学习得到的树状结构分叉来对二级谱图进行指认。文章还设计了系统对归属的谱图和实际的谱图进行打分，并最终得出谱图是否符合的结论。本篇文章建立的方法采用了一种独特的树状结构进行分析。对于小分子结构进行了多分级的聚类，包括分子结构，所属的分子类别等等。文章为了检测这一方法的可行性，选取了一系列具有特定结构的小分子并采取两种不同的色谱柱对其质谱谱图进行了检测。在得到了质谱数据后运用它们的Qemistree进行分析，他们发现这一方法可以很好地将不同流出体系不同保留时间的小分子谱图归属于同一个小分子，同时也能很好地将属于一类的小分子进行归类，此外利用这种方法能够指认很多之前没有被指认的谱图。这些都证明了这一方法确实能够很好地归属不同谱图的小分子来源。他们还对比了采用树结构与不采用树结构的分析方法，发现他们的方法确实效率更高，结果更好。最后，他们在实际的体系中测试了他们的方法。他们首先选取了在动物植物和细菌中独特存在的几个分子作为预测结构的基础输入，并利用他们的方法得到了很多预测的谱图。他们对多种食物中的小分子进行了质谱谱图的鉴定，然后用这些质谱谱图与他们预测到的谱图进行比对，他们鉴定到了很多已知的食品成分。其中他们发现蜂蜜中的小分子大部分来源于植物特有小分子下游的谱图而不是动物小分子下游的谱图。这与蜂蜜是来源于花朵是十分吻合的，也证明了他们开发的方法具有极为准确的小分子溯源的能力。总而言之，文章基于树结构和机器学习开发了一种用于小分子谱图指认的分析技术Qemistree。利用这一分析方法，他们很好地指认了代谢组学数据中一些无法指认的谱图，并准确地分析了食品中小分子的来源。本文作者：LZH责任编辑：CY原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-020-00677-3原文引用：DOI：10.1038/s41589-020-00677-3

关注我们，更多干货和惊喜好礼宁婵娟近年来，代谢组学已成为切入生命科学研究的重要手段，其热度和关注度逐年上升。与此同时，代谢组学也面临着多方面令人头秃的难点和问题。非靶向代谢组学是生命科学研究Discovery阶段最常用的切入手段，可无偏向性地对所有小分子代谢物同时进行检测分析。但传统的非靶向代谢组学存在无法定量、注释物质及注释信息不全等瓶颈，这些在一定程度上制约了科研工作者对代谢组学的研究。ThermoFisher的合作伙伴--帕诺米克在代谢组学领域有着丰富的行业经验和先进的解决方案：全局精准非靶向代谢组。为什么“全靶”会这么优秀呢一、高准确性1、强大、稳定的代谢组全局扫描平台：Orbitrap代谢组学检测平台特点：1）、超高的分辨率、质量精度（内标：≤1ppm，外标：≤3ppm ）、灵敏度和动态范围（5个数量级）2）、超高稳定性，支持大样本连续分析3）、定量能力强，媲美高端三重四极杆4）、结果可靠，国际知名实验室的普遍选择，CNS系列杂志占比超70%；2、严格的质量控制3、在遵循代谢组学标准注释基础上，利用可靠的正交准则进行有效而准确的注释，物质匹配度超过80%。二、高保真全注释1、庞大的数据库：全靶鉴定使用数据库包含帕诺米克自建库BioDeepDB、METLIN、HMDB、MoNA、Thermo Scientific mzCloud、Compound Discoverer、LipidSearch 等数据库，涵盖超13万个化合物和170万个脂质分子数据信息；2、高保真物质全注释表格（含脂质）常规非靶向会提供差异代谢物，没有差异或者差异不显著的则不会保留，而这些代谢物有可能也是我们研究内容里面有用的一部分。全靶提供全注释的同时也提供每个物质的分类及通路情况，可以快速定位与研究目的相关代谢物，方便后期数据处理。三、同位素半定量1、用6种同位数内标以及NIST血清进行校正2、真实的物质含量趋势全靶（左）与常规非靶（右）差异物质比较趋势图代谢组学研究中常见的研究目的就是前后代谢物的差异，差异程度大小。常规非靶向代谢组学以峰面积作相对定量，与全靶相比，虽然各物质在2组样本中的差异趋势不变，但是经过同位数内标校正，在单个代谢物趋势不变的情况下，得到更趋近于真实含量的比值，对于后期研究方向有着不可小觑的意义。结语：基于Orbitrap组学金标准技术基础的代谢组学平台，能够提供超高分辨率和灵敏度，可为代谢组学研究者所面临的多重挑战提供强大的技术保障。全局精准非靶向代谢组学具有以下6点优势：①Orbitrap代谢组学检测平台：鉴定数量与准确度间的完美平衡；②庞大数据库：超高量物质种类的鉴定；③100%全注释：全面注释检测物质信息；④同位素内标：实现全物质的半定量；⑤匹配度设置≥80%：鉴定信息真实可信；⑥关联分析：注释信息全面，利于多组学整合。如需合作转载本文，请文末留言。

前言2020年8月欧易/鹿明生物合作客户孙逸仙纪念医院李建明团队在Microbiome（IF：11.607）发表了题为 “EphB6基因缺陷小鼠的肠道菌群通过介导维生素B6动态平衡调节自闭症样行为”的文章，通过16S rRNA基因测序和LC-MS非靶向代谢组学联合分析等手段，揭示了肠脑微生物群轴对自闭症谱系障碍（ASD）的发展有重大影响，深入而透彻地阐明了肠道菌群影响小鼠脑功能缺陷的新机制。英文标题：EphB6基因缺陷小鼠的肠道菌群通过介导维生素B6动态平衡调节自闭症样行为研究对象：小鼠粪便、脑组织发表期刊：Microbiome影响因子：11.607单位：孙逸仙纪念医院发表时间：2020年8月主要运用欧易/鹿明生物技术：16S rRNA基因测序（欧易生物提供技术服务），LC-MS非靶标代谢组（鹿明生物提供技术服务）研究背景自闭症谱系障碍（ASD）是一种发育障碍性疾病，目前对自闭症的核心症状的有效治疗很有限。ASD患者临床研究证据表明，肠道菌群与ASD发展之间存在联系，但肠道菌群与ASD的脑功能障碍（肠脑轴）联系机制尚未完全阐明。在肠道稳态起着重要作用的EphB6基因（位于7q号染色体，属于受体酪氨酸激酶Eph家族），因基因突变和在ASD患者中表达下调，被认为是ASD的候选基因。但尚不清楚EphB6在调节肠道菌群和ASD发生的作用机制。本研究中作者发现EphB6在功能上与ASD相关，并通过肠道菌群介导的维生素B6和多巴胺，调节患者自闭症样行为。作者建立了EphB6基因缺陷小鼠肠道菌群失调与中央前额叶皮层（mPFC）（关键的肠脑功能轴）的兴奋/抑制失衡之间的功能联系。研究思路实验方法实验样本基于C57BL/6J小鼠系的健康雄性EphB6+/+（WT）和EphB6-/-（KO）小鼠模型。2.主要实验方法（1）蛋白和转录分析：蛋白质印记分析、定量逆转录PCR分析；（2）16S rRNA基因测序分析；（3）代谢组学实验：LC-MS非靶向代谢组学分析，氨基酸神经递质LC-MS靶向分析，5-磷酸吡哆醛、吡哆胺和吡哆醇靶向分析；（4）其他：苏木精-伊红组织染色、肠通透性测定、小鼠行为测试、立体定向手术和药物显微注射、脑组织电生理学检测；实验结果1.缺失EphB6导致小鼠自闭症样行为和肠道微生物紊乱自闭症样行为增加：作者发现KO小鼠比WT小鼠梳理毛发的时间更多（图1a），且在社交分区测试中社交互动异常。KO小鼠在嗅觉适应性/不适应性测试中对充满社交气味的棉签兴趣较少（图1i），表现出交流障碍。在高架十字迷宫测试中，KO小鼠在开臂处时间更少，而在闭臂时间更长（图1j），表明KO小鼠出现焦虑样行为。总之EphB6的缺失导致小鼠出现自闭症样行为，包括刻板行为和社会缺陷，以及焦虑样行为，但没有表现出智力障碍。肠通透性提高：与WT小鼠相比，KO小鼠的肠通透性显著提高（图1k）。此外，KO小鼠结肠中紧密连接分子Cldn4的mRNA表达更低，IL-1β（促炎因子）mRNA表达大幅增加，且有抗炎作用的IL-6表达降低，而回肠远端、结肠、肝和肺的形态学没有改变。粪便微生物组成变化：Bray-Curtis距离的主坐标分析表明，KO与WT小鼠的粪便微生物群组成不同（图1p），主要差异在KO小鼠粪便菌群中脱铁杆菌门的粘膜螺旋藻属丰度降低（图1q）。上述结果表明小鼠EphB6的缺失导致肠道通透性增加和肠道微生物组成发生变化。4周龄KO与WT小鼠的主坐标分析中，肠道菌群组成不同，但3周龄小鼠肠道菌群组成相似。同时4周龄的KO小鼠表现出刻板行为增加和对社交气味兴趣降低，进一步暗示异常行为与EphB6缺失小鼠中肠道微生物紊乱之间的可能关系。图1 | 缺失EphB6导致小鼠自闭症样行为和肠道微生物紊乱2.移植EphB6基因缺陷小鼠的粪便菌群在C57BL/6J小鼠中引起自闭症样行为将8周龄的雄性WT或KO小鼠粪便菌群灌胃给3周龄SPF雄性C57BL/6J小鼠（图2a），三周后发现两组小鼠肠道微生物组成不同（图2b），同时发现接受KO小鼠粪便微生物群的C57BL/6J小鼠表现出刻板行为增加和社交行为减少（图2e-i）。另外对SPF雄性C57BL/6J小鼠进行抗生素预处理后进行WT或KO小鼠粪便菌群灌胃实验，2周后发现两组小鼠肠道微生物组成不同，而且接受KO小鼠粪便微生物群的C57BL/6J小鼠表现出刻板行为增加和社交行为减少。总之，来自EphB6基因缺陷小鼠的粪便微生物群在C57BL/6J小鼠中引起了刻板行为的增加和社会行为的部分受损。图2 | 移植EphB6基因缺陷小鼠的粪便菌群在3周龄的SPF C57BL/6J小鼠引起自闭症样行为为验证肠道微生物群是否在成年小鼠的自闭症样行为中持续发挥作用，给6周大的SPF C57BL/6J雄性小鼠口服抗生素混合物1周破坏肠道菌群后，小鼠表现出社交能力障碍。作者还发现KO小鼠肠道菌群的代谢产物在C57BL/6J小鼠中诱发了部分社交缺陷（图3j-m）。而KO小鼠中去除代谢产物的肠道菌群也会在C57BL/6J小鼠中引起部分社交缺陷。结果表明即使在成年小鼠中，肠道菌群也与自闭症样行为相关，并且不同的肠道细菌可能参与调节不同的行为。图3 | 移植EphB6基因缺陷小鼠粪便菌群会诱导6周龄SPF C57BL/6J小鼠的部分社交缺陷3.移植野生型小鼠粪便菌群改善成年EphB6基因缺陷小鼠的自闭症样行为16S rRNA基因测序结果表明，接受WT小鼠肠道菌群的KO小鼠粪便中脱铁杆菌门的粘膜螺旋藻属相对丰度增加（图4c）。功能分析表明，接受WT小鼠肠道菌群的KO小鼠表现出社交行为增加（图4f-i），且刻板行为有降低的趋势（图4e）。总之，肠道微生物紊乱是导致EphB6缺失小鼠的自闭症样行为的原因。图4 | 移植野生型小鼠粪便菌群改善了成年EphB6基因缺陷小鼠的自闭症样行为4.肠道菌群介导的维生素B6动态平衡调节EphB6基因缺陷小鼠的社交行为作者通过实验探索肠道菌群影响大脑并在EphB6基因缺陷小鼠中引起自闭症样行为的机制。有研究表明ASD与海马体、小脑和中央前额叶皮层（mPFC）有关，KO小鼠mPFC中c-Fos蛋白表达显著高于WT小鼠。对于某些实验来说mPFC太小，因此后续实验使用了PFC。因为KO小鼠肠道菌群的代谢产物也引起了C57BL/6J小鼠的社交缺陷，作者假设某些受肠道微生物影响的物质会导致KO小鼠的社交缺陷。使用LC-MS非靶向代谢组学方法检测了小鼠PFC中代谢物，发现两组小鼠之间有显著差异（图5a），差异代谢物富集到的代谢通路包括维生素B6代谢途径，主要因为KO小鼠中该途径的吡哆胺（PM）和吡哆醛5'-磷酸（PLP）相对丰度降低（图5b-d）。人体维生素B6主要来自饮食和肠道细菌合成，然后被肠道吸收。检测小鼠粪便、血液和PFC中维生素B6含量发现，EphB6基因缺陷小鼠粪便中吡哆醇（PN）含量升高，血浆PM和PLP含量降低，前额叶皮层PLP含量降低。（图5e-k）。接受WT小鼠肠道微生物移植一周后，KO小鼠粪便中PN含量降低，血浆中PM含量升高，PFC中PLP含量升高。这些结果表明，肠道菌群可能通过调节肠道中维生素B6吸收来调节小鼠粪便、血液和PFC中维生素B6水平。图5 | 肠道菌群调节EphB6缺陷小鼠的维生素B6作者又向KO小鼠补充维生素B6，以阐明其对自闭症样行为的影响。腹腔注射1 mg PLP后一小时，与对照组小鼠相比，KO小鼠的血浆PLP水平较高（图6b），社交行为增加（图6d-f），但相同处理对C57BL/6J小鼠的社交行为没有影响（图6h-j）。另外使C57BL/6J小鼠缺乏维生素B6，2周后血浆PLP水平降低，小鼠社交行为降低（图6k-n）。结果证明了肠道菌群诱导的维生素B6缺乏与EphB6基因缺陷小鼠的社会缺陷之间存在联系。图6 | 肠道菌群介导的维生素B6动态平衡调节EphB6缺陷小鼠的社交行为5.肠微生物群介导的维生素B6动态平衡调节EphB6基因缺陷小鼠脑前额叶皮层中的多巴胺维生素B6参与细胞多个生化反应，包括氨基酸和神经递质生物合成和分解代谢。通过靶向代谢组学检测方法，发现给予无菌PBS或WT小鼠粪便微生物群的WT和KO小鼠PFC中，谷氨酸、γ-氨基丁酸（GABA）、甘氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和谷氨酰胺水平相似（图7a/b）。与WT小鼠相比，KO小鼠PFC中多巴胺降低、5-羟色胺（5-HT）增加（图7c）。与给予无菌PBS相比，用WT小鼠粪便菌群处理可增加KO小鼠PFC中多巴胺，但不影响5-HT。另外接受KO小鼠粪便菌群移植的SPF C57BL/6J小鼠，PFC中多巴胺水平低于接受WT小鼠粪便菌群移植的小鼠。腹腔内注射PLP可增加KO小鼠PFC中多巴胺水平（图7d），维生素B6缺乏可降低SPF C57BL/6J小鼠PFC中的多巴胺水平（图7e）。总之，肠道菌群介导的维生素B6动态平衡影响小鼠PFC多巴胺水平。向KO小鼠mPFC中注射多巴胺D1受体（D1R）或多巴胺D2受体（D2R）（喹吡罗）的激动剂，发现与注射人工脑脊髓液（ACSF）相比，注射D1R的KO小鼠表现出社交行为增强（图7g-j），但注射D2R的KO小鼠没有。注射ACSF和D1R激动剂的C57BL/6J小鼠没有发现社交行为的差异（图7k-m），但D1R拮抗剂导致C57BL/6J小鼠社交行为的降低（图7n-q）。总之，在EphB6基因缺陷小鼠中肠道菌群失调和维生素B6缺乏可通过D1R介导的途径导致自闭症样行为。图7 | 肠道菌群通过维生素B6调节多巴胺进而影响EphB6基因缺陷小鼠的社交行为6.肠道菌群调节EphB6基因缺陷小鼠中央前额叶皮层中的E/I平衡为研究EphB6基因缺陷小鼠肠道微生物群介导的自闭症样行为的细胞机制，作者记录了接受无菌PBS或WT小鼠粪便微生物群处理的WT和KO小鼠mPFC的锥体神经元的自发兴奋性突触后电流（sEPSCs）和自发抑制性突触后电流（sIPSCs）。sEPSC幅度和频率以及sIPSCs的幅度在各组之间没有差异（图8b-f），而KO小鼠中sIPSCs的频率降低，接受WT小鼠粪便菌群移植可以改善这种情况（图8g-k）。另外，接受KO小鼠粪便微生物处理的C57BL/6J小鼠mPFC的锥体神经元中sIPSC的频率降低。总之，肠道菌群在EphB6基因缺陷小鼠的mPFC锥体神经元中通过多巴胺调节了E/I平衡（图9）。图8 | 肠微生物群和多巴胺调节EphB6缺陷小鼠mPFC中的E/I平衡图9 | 肠道菌群在EphB6基因缺陷小鼠中调节社会缺陷的工作模型相关讨论首先，本研究表明EphB6在功能上与ASD相关，从建立的转基因小鼠模型中发现小鼠EphB6的缺失诱导了自闭症样行为，研究还揭示了EphB6在ASD中的功能，EphB6基因缺陷小鼠可以用作ASD研究的新小鼠模型。第二，本研究发现肠道微生物紊乱是EphB6基因缺陷小鼠自闭症样行为所必需的。通过移植KO小鼠粪便菌群，抗生素处理的C57BL/6J小鼠也可出现部分相似行为。研究还表明，肠道菌群在治疗成人患者ASD核心症状方面可能发挥作用。敲除EphB6可能会诱导Eph家族和连接蛋白之间相互作用失调，从而导致小鼠肠道粘膜通透性增加和肠道微生物菌群紊乱。第三．缺乏维生素B6对于EphB6基因缺陷小鼠肠道微生物群介导的自闭症样行为至关重要。研究发现肠道菌群对维生素B6调节的新作用，并证实肠道菌群介导的维生素B6改善了EphB6基因缺陷小鼠的社会缺陷。第四，作者建立了EphB6基因缺陷小鼠中肠道菌群与脑功能障碍（肠脑轴）连接的机制。作者发现EphB6基因缺陷小鼠中肠道微生物群通过调节维生素B6对PFC中多巴胺起调节作用。另外作者发现D1R激动剂改善了EphB6基因缺陷小鼠的社会缺陷，并改善了这些小鼠mPFC中肠道菌群调节的E/I失衡。D1R可能通过改善EphB6基因缺陷小鼠GABA能抑制来调节它们的社会行为。总之，肠道菌群介导的维生素B6缺乏引起多巴胺水平降低，进而导致EphB6基因缺陷小鼠的E/I失衡和社交缺陷。实验结论本研究揭示了肠道菌群在EphB6基因缺陷小鼠的自闭症样行为中的关键作用。从机理上讲，肠道微生物群介导的维生素B6缺乏通过降低EphB6基因缺陷小鼠中央前额叶皮层中的多巴胺水平和诱导E/I失衡来调节自闭症样的社会行为。作者提出了一种新的自闭症谱系障碍（ASD）小鼠模型，证明了肠道菌群在遗传因子诱导的自闭症中的重要作用，并为肠道-大脑-菌群轴提供了新的见解，这些发现为理解和治疗ASD提供了新策略。小鹿推荐一篇高分文章，离不开明确地研究目的、精巧周密地实验设计和多种分析手段有机结合，这篇文章就是其中的典范。文章研究的核心问题——肠道菌群与自闭症行为的关系，需要通过多项实验方案，将小鼠的行为学、组织电生理学、肠透性等表型结果，与蛋白质转录组等检测结果相互应征，更加入了16S rRNA基因测序和非靶向/靶向代谢组学这两项研究肠道微生物与宿主关系必不可少的分析手段，最终提出了肠道菌群影响小鼠脑功能缺陷的新机制，揭示了肠脑微生物群轴对ASD的发展有重大影响的巨大潜力。看点欧易/鹿明生物推出的16s+代谢组学的多层组学研究思路继本篇文章前已先后助力了浙江工业大学、中国农科院、青岛农业大学等在微生物一区顶刊Microbiome、医学一区顶刊GUT发表文章。详情请戳项目文章PBP | 浙江工业大学傅正伟运用GC-MS非靶向代谢组学和16S探究水稻根际微生物群落影响项目文章 | 恭喜中国农科院及青岛农业大学团队继GUT后又喜发微生物顶刊Microbiome。猜你还想看◆16s+代谢组学：Science:日常饮食如何改善慢性肾病？微生物16s+质谱技术揭示其中的奥秘◆16s+代谢组学：项目文章PBP | 浙江工业大学傅正伟运用GC-MS非靶向代谢组学和16S探究水稻根际微生物群落影响◆16s+代谢组学：项目文章 | 恭喜中国农科院及青岛农业大学团队继GUT后又喜发微生物顶刊Microbiome◆16s+代谢组学：项目文章 | 运用16S+代谢组学揭示乳果糖缓解盐敏感型高血压的作用机制END文章来源于鹿明生物