近年来，大量研究表明，肠道菌群与多种疾病的发病机制有关，包括癌症以及与炎症、代谢、自身免疫和神经系统有关的疾病。肠道菌群参与机体多种代谢物的生物合成和代谢途径，可能在宿主发病机理中发挥关键作用。肠道菌群产生的代谢产物，包括短链脂肪酸、氨基酸、维生素等，可以改变人们的各种健康问题，例如糖尿病、心脏病和抑郁等。因此，越来越多的研究者关注肠道菌群的代谢能力以及对宿主免疫系统的调控能力。
目前，较多文献对于胃肠道菌群的研究，主要放在微生物物种层面，探讨微生物与营养代谢、疾病的关系，而一些顶刊文章往往倾向于微生物功能的探索。这里就涉及到以微生物为研究对象的代谢通路了。
本期，我们就带大家来看看如何从庞大的肠道宏基因组数据中进行关键的微生物营养代谢功能分析，深度挖掘数据，开辟国自然研究新思路！
首先我们来看两篇相关文献：
肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合症（ME/CFS）的特征是无法解释的虚弱疲劳、认知功能障碍、胃肠道紊乱和直立不耐受。本研究报告了一项对106例病例和91名健康对照者进行的多组学分析，涵盖了地理上多样化的队列，揭示了肠道微生物组的多样性、丰度、功能通路和相互作用的差异。结果表明：作为人类肠道中公认的丰富且有益的丁酸盐生产者，粪肠球菌（Faecalibacterium prausnitzii）和直肠厌氧菌（Eubacterium rectale）在ME/CFS患者中减少。功能性宏基因组学、定量PCR和粪便短链脂肪酸代谢组学确认了微生物合成丁酸盐的能力不足。本研究基于粪便宏基因组数据，发现部分产丁酸菌丰度下降，进一步通过功能基因分析，发现疾病组中的产丁酸途径的功能基因存在缺失，结合短链脂肪酸检测，证实了微生物合成丁酸盐的能力不足。
维生素B族和K2是宿主代谢中必需的营养素，可以由反刍动物的瘤胃微生物群合成，并随后被宿主吸收。然而，整个胃肠道微生物群对B和K2维生素的合成及其在不同饮食策略中的丰度仍然知之甚少。本研究重新分析了之前对七种反刍动物胃肠道微生物群的大规模宏基因组数据，并从已发布的数据集中招募了17,425个非冗余微生物基因组，以全面了解反刍动物中微生物介导的B和K2维生素合成。结果表明，维生素B族和K2合成的总丰度在胃部微生物群中占主导地位，而硫胺素、烟酸和吡哆醇的合成在大肠中更为丰富。大多数基因组具有钴胺素转运蛋白或依赖于钴胺素的酶，可以直接消耗钴胺素，仅有少数微生物基因组具有完整的钴胺素合成途径。大多数维生素合成在高谷物（HG）饮食组中得到增强，而仅有钴胺素的合成在HG组中受到抑制，这表明膳食纤维对钴胺素合成至关重要。本研究中通过宏基因组手段全面分析了参与反刍动物维生素B族和K2生物合成的胃肠道微生物基因和基因组，揭示了维生素生物合成在胃肠道中的分布特点和饮食的影响，并特别分析了菌群的钴胺（维生素B12）生物合成。
凌恩生物宏基因组微生物
功能通路/基因分析思路
凌恩生物通过查阅大量基于宏基因组测序分析肠道菌群代谢和免疫能力的相关文件，建立了完整的短链脂肪酸、氨基酸、维生素和先天性免疫因子合成通路，自主研发了肠道菌群代谢和免疫能力功能分析流程，深入挖掘宏基因组数据，比较并识别不同处理组的动物肠道菌群代谢和免疫能力上的优势，评估益生菌/饲料/中药等对动物健康的影响。
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● 短链脂肪酸代谢：肠道微生物发酵膳食纤维产生SCFAs，主要包括乙酸、丙酸和丁酸，其中乙酸、丙酸和丁酸占总SCFAs的95%以上。凌恩生物汇总了包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乙酸or丙酸在内的共22个功能基因，共10个子路径；
● 维生素合成：肠道中的有益菌如双歧杆菌、乳酸杆菌等能合成多种人体生长发育必须的维生素，如 B 族维生素、维生素 K、烟酸、泛酸等，维生素对于人体健康起着至关重要的作用。分析流程汇总了Vitamin A、Vitamin B族（B1、B2、B6）、Vitamin H，共34个功能基因；
● 氨基酸代谢：肠道微生物群介导蛋白质代谢和宿主免疫反应之间的相互作用，在代谢过程中发挥重要作用。小肠细菌能代谢部分氨基酸，进而影响宿主整体氨基酸的代谢。流程包括了常见的丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丝氨酸等20多种氨基酸共125个基因。
● 先天性免疫因子：肠道菌群通过合成先天性免疫因子来控制免疫系统，进而影响宿主的健康状况。分析流程汇总了次级胆汁酸、三甲胺N-氧化物、吲哚-3-乙酸、吲哚-3-甲醛、犬尿氨酸、琥珀酸等共66个功能基因。
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通过建立完整的模式图，确定不同代谢过程所涉及的功能基因及其丰度计算方法，基于宏基因组测序数据的基因注释及丰度定量结果，对肠道菌群代谢和免疫能力进行分析及比较。分析结果从两方面分析了与营养代谢合成关键基因，一是在 KEGG 数据库中与短链脂肪酸、氨基酸、维生素和先天性免疫因子有关的代谢路径的丰度；二是与营养代谢合成有关的关键基因的分析以及与相关关宿主微生物的识别。
总之，肠道菌群介导的短链脂肪酸、维生素、氨基酸以及先天性免疫因子合成代谢途径适用于肠-X轴研究、微生物与宿主互作、益生菌调控宿主健康等多种研究场景，各位老师可多尝试从这些通路多角度入手，关注肠道菌群代谢和免疫能力功能分析，全面提升文章level哦！
参考文献
[1]Deficient butyrate-producing capacity in the gutmicrobiome is associated with bacterial networkdisturbances and fatigue symptoms in ME/CFS. Cell Host & Microbe, 2023.
[2]Metagenomic insights into the microbe-mediated B and K2 vitamin biosynthesis in the gastrointestinal microbiome of ruminants. Microbiome, 2022.
