Cell Host & Microbe | 肠道微生物的氨基酸代谢调节宿主营养稳态和生理功能

氨基酸稳态对于人类的健康和疾病至关重要，氨基酸稳态失衡与疾病的病程进展和病理恶化高度相关。先前研究表明肠道微生物可以通过影响蛋白质消化酶、改变肠道通透性、直接利用或代谢氨基酸、合成氨基酸来调控宿主氨基酸利用度。但是因为缺乏在宿主定植背景下精确调控微生物代谢氨基酸的方法，其如何参与调节宿主氨基酸稳态的信息十分匮乏。

肠道微生物群定植降低宿主肠道和循环氨基酸

作者首先研究肠道微生物定植是如何影响宿主氨基酸代谢的。通过靶向代谢组学分析，比较收集来自无菌小鼠（GF）、无特殊病原体小鼠（SPF）、粪便移植了无特殊病原体微生物群的普通无菌小鼠（FMT）胃肠道不同部位内容物、血清、粪便生物样本中游离氨基酸相对丰度。结果显示与GF相比，SPF/FMT胃肠道不同部位氨基酸浓度降低，且这一现象在肠道微生物群密度高的部位尤为明显，同时相比于GF，SPF/FMT血清中氨基酸浓度降低，说明肠道微生物群会影响宿主对氨基酸的利用及外周组织器官的氨基酸稳态。由此可知，作者认为微生物群利用肠道氨基酸可能是肠道微生物影响宿主氨基酸稳态的主要途径之一。

参与氨基酸代谢肠道微生物的鉴定

鉴于肠道微生物群定植通常会减少宿主肠道和体循环氨基酸，为了鉴别能够有效代谢肠道氨基酸的候选微生物，作者开发了一种体外高通量基于活细胞的代谢组学方法来评估肠道微生物消耗氨基酸的相对速度。作者首先通过在四种不同条件下筛选 20 种肠道共生菌来优化测定条件。分析了四种条件下的测定读数，并使用条件4进行大规模筛选104种微生物。作者观察到了一些现象：（1）肠道细菌氨基酸耗竭效率与系统发育之间的相关性在不同水平上有所不同。同一目或科内的肠道细菌菌株（拟杆菌属微生物除外）表现出不同的氨基酸消耗活性。同一属或种内的微生物，更有可能在代谢氨基酸方面具有相似的模式。（2）多种梭状芽孢杆菌微生物是多种氨基酸的快速代谢者，许多拟杆菌共生菌是肠道多糖（或聚糖）的主要利用者，也能够高效代谢多种特定的氨基酸。（3）不同的氨基酸具有特定的肠道细菌进行代谢，其相应的代谢速率差异显著。作者选取了体外大规模代谢组学分析能够高效代谢多种氨基酸的代表微生物，分别为C. sporogenes ATCC15579、C. senegalense DSM25507、B. ovatus ATCC8483，体外代谢组学分析表明B. ovatus ATCC8483高效代谢Asn（天冬酰胺）和谷氨酰胺（Gln），C. senegalense DSM25507高效代谢组氨酸（His）和赖氨酸（Lys）,C. sporogenes ATCC15579高效代谢脯氨酸（pro）和色氨酸（Trp）。

接下来，为了检验是否这些微生物在体内也参与氨基酸的代谢，作者分别单独定植无菌小鼠三种高效代谢氨基酸的微生物（B. ovatus ATCC8483，C. sporogenes ATCC15579和C. senegalense DSM25507），与无菌小鼠对照组相比，定植了能够高效代谢氨基微生物的小鼠胃肠道不同部位、粪便、血清中相应氨基酸浓度降低，说明作者的体外代谢组学方法能够能够预估微生物在体内代谢氨基酸的能力，但是该方法仅能部分反映而不能预测微生物在定植背景下是如何影响宿主氨基酸谱，因为肠道微生物影响宿主氨基酸谱的机制是多样的，该方法只是测定了微生物在体外消耗氨基酸的速率。

鉴定肠道菌群中代谢氨基酸的基因

为了探索微生物代谢氨基酸背后的机制，作者试图确定编码氨基酸代谢活动的微生物基因。在体外实验中能够高效代谢各种氨基酸和在无菌小鼠实验中能够降低胃肠道和血清中氨基酸浓度的细菌（B. ovatus ATCC8483，B. hydrogenotrophica DSM10507，C. sporogenes ATCC15579和C. senegalense DSM25507）中鉴别相应氨基酸代谢基因和通路，利用包括CRISPR-Cas9在内的基因编辑技术获得35个不能代谢特定氨基酸的缺失突变体，鉴别出14个对氨基酸代谢至关重要的基因。补充实验发现特定氨基酸代谢缺陷的突变体相比于野生型下游相应的代谢产物减少，证明这些基因确实参与了这些代谢通路，通过380个肠道微生物基因组BLAST分析发现这些代谢基因广泛分布在人类肠道菌群中并且编码肠道菌群代谢氨基酸的关键酶。

代谢肠道氨基酸的微生物基因调节宿主的氨基酸稳态

在建立了特定氨基酸代谢缺陷的微生物突变体库后，作者接下来探究是否能在宿主定植背景下精确调控氨基酸的代谢。用野生型菌株或在体外停止消耗氨基酸的细菌突变体对两组无菌小鼠进行单定植，发现与野生型组相比，突变体组小鼠的粪便和血清中相应氨基酸的浓度更高，然而在外周血清中，二者的Arg和Trp浓度没有显著差异，说明这种全身的调节作用并不总是与肠道菌群代谢氨基酸的能力相关，存在其它层面的调节。以上结果说明代谢氨基酸的基因能够在体内调控宿主肠道和体循环的氨基酸稳态，还证实了使用微生物组遗传学来调节宿主中微生物编码的代谢活动的可能性。

肠道氨基酸的微生物代谢通过外周血清素调节宿主葡萄糖稳态

最后作者研究了微生物的氨基酸代谢对于宿主葡萄糖稳态的影响。在阐明微生物氨基酸的代谢会直接影响宿主的氨基酸稳态后，作者推测这种代谢活动也参与调控其它营养物质稳态，例如糖，因为之前的营养研究表明特定膳食氨基酸（如支链氨基酸或色氨酸）的生物利用度与宿主葡萄糖耐量之间存在关联，另外二型糖尿病患者与健康人相比bctA基因丰度更高。作者优先考虑产孢梭菌的支链氨基酸和色氨酸的代谢途径，因为这两种氨基酸在宿主肠道和循环中都高度丰富，并与营养研究中葡萄糖处理的变化有关。为了评估这两个代谢通路对宿主葡萄糖稳态的影响，通过在无菌小鼠上单一定植产孢梭菌野生型菌株、支链氨基酸突变菌株、色氨酸突变菌株研究小鼠的葡萄糖耐量变化，发现与野生型组相比，支链氨基酸突变体组的葡萄糖耐量得到改善，而色氨酸突变组却表现出相反的趋势，血清样本的代谢组学分析显示，与对照组相比，支链氨基酸突变组的血清血清素水平降低，而色氨酸突变组的血清素水平有升高的趋势，并且血清素相关基因的表达存在差异。先前研究表明微生物可以通过血清素调控宿主葡萄糖稳态并且循环血清素的减少能够提高葡萄糖耐量，发现色氨酸突变组和支链氨基酸突变组血清素含量的变化与对葡萄糖稳态的调节一致，推测微生物群氨基酸代谢的变化而导致的宿主葡萄糖稳态的改变可能是由外周血清素释放介导的，为了验证这一猜想，作者采用了相同的无菌小鼠设置，但在口服葡萄糖耐量实验前每组给予Tph1抑制剂LP533401，正如预期的那样，野生型和突变型定植小鼠之间的葡萄糖处理差异要小得多。得出结论微生物群氨基酸代谢活动的变化通过调节外周血清素合成影响宿主葡萄糖稳态。

本篇文章中作者鉴别了能够高效代谢氨基酸的微生物和基因，这些微生物和氨基酸代谢基因能够影响宿主的氨基酸稳态，此外，参与支链氨基酸和色氨酸消耗的微生物基因通过外周血清素调节宿主的葡萄糖耐量。虽然已经证明可以在宿主定植的背景下精确操纵微生物群氨基酸代谢的个体途径，但需要更多深入研究和技术进步来开发有效的方法来在更复杂的微生物组背景下精确操纵这些基因。这项研究有助于揭示肠道菌群参与宿主生理和体内平衡调节的复杂机制，在基因水平上了解微生物群如何调节到达肠上皮的营养信号将是破译它们在健康和疾病中的精确功能的关键。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38657606/

撰稿 | 黄   玲

审稿 | 陶恩祥

编辑 | 顾韫慧

参考文献

1.Li TT, Chen X, Huo D, et al. Microbiota metabolism of intestinal amino acids impacts host nutrient homeostasis and physiology.Cell Host Microbe. 2024;32(5):661-675.e10. doi:10.1016/j.chom.2024.04.004IF: 20.6 Q1 B1

2.Joly A, De Vadder F. Amino acid bites: Microbial snacking influences host metabolism.Cell Host Microbe. 2024;32(5):630-632. doi:10.1016/j.chom.2024.04.003IF: 20.6 Q1 B1B1