2024年10月30日，耶鲁大学微生物科学研究所所长团队在《Cell》发表研究性文章“Microbial transformation of dietary xenobiotics shapes gut microbiome composition”（Q1, IF=45.5），文章确定了肠道微生物组群落被膳食外源性物质重塑的机制并预测了对给定化合物的反应中的个体间微生物组变异性。![]()
人类微生物组对健康有广泛的影响。每个个体体内寄生着数万亿个共生微生物，这些微生物在不同个体之间差异很大，整体编码的基因数超过人类基因组的150倍。这些细菌的遗传和代谢能力提供了维持健康状态所必需的功能，而微生物组失调则可能导致包括心血管疾病、炎症性肠病、II型糖尿病、肥胖和癌症等多种疾病。然而，除了少数例外，微生物组如何影响健康的机制尚不十分清楚。饮食也是健康的一个重要因素。关于食物中个别生化物质（膳食外源物质）对健康影响的流行病学证据有限。这种模糊的结果在癌症的背景下尤为突出，因为饮食可归因于多达35%的疾病风险，但具体导致癌症风险的食物证据大多难以捉摸。同样，基于人口平均值的膳食建议在控制代谢综合症（如II型糖尿病）方面的有效性也有限。实际上，人类个体在对相同食物的反应上存在显著的个体差异，例如，在餐后代谢指标中得到了量化。个体特异性因素，如微生物组，可能代表了这种变异性的重要组成部分，而这在评估饮食与健康之间联系的研究中有时被忽视。肠道微生物组与膳食外源物质密切相互作用，饮食是肠道微生物组组成的主要决定因素。以前对饮食如何塑造肠道微生物组的研究主要集中在宏观营养素（脂肪、蛋白质和碳水化合物），特别是那些逃避人类消化酶并作为结肠细菌的重要能量来源的植物多糖。值得注意的是，针对宏观营养素摄入的研究表明，膳食干预是操控肠道微生物组的一种可行手段。肠道微生物还具有强大的能力来代谢膳食宏观营养素，从而为宿主提供更多的能量收获，并产生生物活性代谢物，如脂肪酸（短链、支链和芳香族）和胺。除了宏观营养素，饮食中还包含大量的微观营养素，涵盖超过26,000种独特的膳食外源物质，包括多酚、木酚素、白藜芦醇和单宁。以往对这些化合物的研究表明，它们对宿主健康的潜在贡献以及对微生物组组成的影响。在少数膳食外源物质中，微生物代谢已被证明能够调节它们对健康和疾病的影响。然而除了这些，大多数以往的研究集中于混合物或整食，而不是纯化合物，提供的聚合测量掩盖了个体差异，或依赖于可能无法捕捉人类微生物组代谢潜力的动物模型。对微生物组与小分子药物相互作用的研究揭示了这些药物改变微生物生长的广泛能力，强调了广泛且可变的微生物代谢，并提供了微生物组在药物疗效和毒性个体差异中的贡献的例子。同样，个体对饮食反应的差异可能源于膳食外源物质产生的微生物代谢物的变异性以及微生物组组成或重塑的个体差异。尽管在理解药物与微生物组相互作用中的个体变异方面，映射努力取得了显著进展，但类似的方法尚未应用于膳食外源物质。1. 映射微生物组与约 150 种膳食外源物质之间的相互作用2. 微生物代谢可以将某些化合物转化为抗生素并对其他化合物进行解毒![]()
图 1. 膳食外源物质在肠道微生物组群落中以不同方式被代谢，并且可以抑制肠道共生菌的生长。
图2. 膳食外源性物质对人类肠道微生物群落的图谱重塑
图 3. 膳食外源物质与群落组成之间的预测和新兴相互作用
图 4. 肠道微生物组对膳食外源物质的毒化和解毒作用
图 5. 微生物代谢将群落重塑与膳食外源物质的毒性联系起来。
饮食是肠道微生物组组成的主要决定因素，饮食与微生物组之间的相互作用的变化可能导致健康后果的差异。为了从机制上理解这些关系，在这里映射了约 150 种小分子膳食外源物质与肠道微生物组之间的相互作用，包括这些化合物对群落组成的影响、人类肠道微生物对膳食外源物质的代谢活动，以及这些特征在个体之间的差异。微生物代谢可以对这些化合物进行毒化或解毒，产生新的相互作用，从而解释膳食外源物质对特定群落的重塑。识别出负责解毒一种膳食外源物质白藜芦醇的基因和酶并证明该酶在白藜芦醇导致的群落重塑中的个体差异中起着重要作用。总之，这些结果系统性地映射了膳食外源物质与肠道微生物组之间的相互作用，并将毒化与解毒联系到微生物组对饮食反应的个体差异。
通讯作者
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Andrew L. Goodman，C. N. H. Long教授兼微生物发病机理系主任，耶鲁大学微生物科学研究所所长。在普林斯顿大学获得生态学和进化生物学本科学位，在哈佛大学获得微生物学和分子遗传学博士学位，在华盛顿大学完成了博士后。实验室使用微生物遗传学、gnotobiotics和质谱法来了解肠道微生物在健康和疾病期间如何与宿主相互作用。该实验室还对微生物组如何影响医疗药物的疗效和毒性感兴趣。该实验室的贡献得到了NIH主任新创新者奖、皮尤基金会、杜邦青年教授奖、巴勒斯惠康基金会、霍华德休斯医学研究所教师学者计划、ASPET John J. Abel奖和总统科学与工程早期职业奖的认可。
