該研究證明了部分腸道菌群與IgAN的之間的機制關(guān)系，為開發(fā)針對微生物群的食物干預(yù)措施改善IgAN提供科學(xué)依據(jù)。百邁客生物為該研究提供了全長16S?rRNA測序服務(wù)。

研究背景

IgA腎病（IgAN）是全球最常見的免疫介導(dǎo)的原發(fā)性腎小球疾病，每年每10萬成年人中至少有2.5例發(fā)病。具有顯著的終身進展至終末期腎?。‥SRD）的風(fēng)險，約20%-40%的IgAN患者會在10至20年內(nèi)進展至終末期腎病。因此迫切需要發(fā)現(xiàn)有效的治療靶點和新的干預(yù)策略。

一般來說，人類腸道中居住著數(shù)以萬億的細(xì)菌，這些細(xì)菌以膳食營養(yǎng)為燃料，可合成多種生物活性化合物。這些微生物代謝物進一步向體內(nèi)遠(yuǎn)處的器官發(fā)出信號，使它們能夠與激素和免疫系統(tǒng)以及宿主的新陳代謝及其他功能相連接，腸道與宿主免疫系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用影響著身體功能，這些功能將其與其他器官聯(lián)系起來，并導(dǎo)致它們之間形成“軸”。

慢性腎臟病通常是進行性且不可逆的，腸道微生物群作為環(huán)境與人類之間的橋梁，在慢性腎臟疾病的發(fā)生和進展中發(fā)揮著根本性作用。IgA?腎病（IgAN）與腸道微生物群的平衡息息相關(guān)。然而，目前還不清楚腸道微生物群的變化是否會減弱IgAN或影響其進展。

研究結(jié)果

? IgAN引起腎損傷和腎功能下降

根據(jù)以上研究背景，作者首先確認(rèn)了IgAN小鼠模型的成功建立。通過分析小鼠腎臟IgA免疫熒光染色，與對照組相比，IgAN組腎小球IgA（p?<?0.001）、C3（p?<?0.01）和IgG（p?<?0.001）沉積顯著增加。PAS染色顯示，IgAN組腎小球系膜細(xì)胞增生、系膜基質(zhì)增多及基底膜增厚。腎功能指標(biāo)評估顯示，與對照組相比，IgAN組小鼠血尿素氮（BUN）（p?<?0.001）、尿酸（UA）（p?<?0.01）、血清肌酐（Scr）（p?<??0.01）、血白蛋白（BAL）（p?<?0.05）及尿蛋白/肌酐比值（ACR）（p?<??0.001）水平顯著增加，IgAN組腎功能顯著下降，這可能與腎臟結(jié)構(gòu)損傷有關(guān)。

? IgAN引起腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂和多樣性失衡

通過構(gòu)建IgAN動物模型，作者發(fā)現(xiàn)與對照組相比，IgAN組的α多樣性分析均顯著降低。此外，采用非加權(quán)組平均法聚類（UPGMA樹）分析、非度量多維尺度分析（NMDS）和主坐標(biāo)分析（PCoA）進行相似性聚類分析。結(jié)果顯示，IgAN組與對照組表現(xiàn)出明顯的微生物聚類，兩組間存在清晰的分組，表明IgAN誘導(dǎo)了微生物群落的轉(zhuǎn)變。

為識別IgAN腸道微生物群的有效特征，作者進行了LEfSe（線性判別分析效應(yīng)大小)。發(fā)現(xiàn)在屬水平上，IgAN組中另枝菌屬（Alistipes）、鏈球菌屬（Streptococcus）、文肯菌屬（Rikenella）、埃希氏菌屬（Escherichia?Shigella）和乳酸桿菌（Lactobacillus）的豐度顯著增加。

相對應(yīng)的種水平豐度也發(fā)生了顯著的升高或降低，以上結(jié)果表明，IgAN誘導(dǎo)了腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂和多樣性失衡。

? IgAN引起腸道屏障損傷和腸道B細(xì)胞免疫失衡

隨后作者采用蘇木精-伊紅（H&E）染色法評估了各組治療小鼠的結(jié)腸完整性，以確定IgAN引起的腸道通透性變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：對照組小鼠的黏膜上皮完整，固有層內(nèi)腺體豐富且排列致密有序，肌層結(jié)構(gòu)清晰。與此同時，IgAN模型小鼠的腸道腺體結(jié)構(gòu)疏松，局部出現(xiàn)松散，肌層增厚，并伴有輕微的淋巴細(xì)胞浸潤。此外，通過對腸道通透性指標(biāo)的評估發(fā)現(xiàn)，IgAN組小鼠血清中的二胺氧化酶（DAO）（p?<?0.001）、D-乳酸（D-LA）（p?<??0.01）和脂多糖（LPS）（p?<?0.01）水平顯著升高，尤其是在DAO水平上，這表明IgAN模型小鼠的腸道通透性增加。

通過評估B細(xì)胞活化因子和IgA水平，企圖闡明了IgAN的免疫失衡機制。結(jié)果顯示，與對照組相比，IgAN組小鼠的B細(xì)胞活化因子（BAFF）（p?<??0.001）和增殖誘導(dǎo)配體（APRIL）（p??<??0.001）水平顯著升高。IgA水平也異常升高（p?<?0.01），這表明B細(xì)胞過度活化導(dǎo)致IgA穩(wěn)態(tài)失衡。

總結(jié)來說，IgAN模型小鼠的腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致其腸道屏障完整性降低和B細(xì)胞IgA分泌失衡。

? COS可重塑IgAN小鼠模型的菌群失調(diào)

隨后，作者為探索調(diào)節(jié)IgAN的特定微生物群是否能改善疾病進展，應(yīng)用了COS對IgAN中失調(diào)的微生物群進行靶向調(diào)節(jié)。α多樣性比較結(jié)果顯示，經(jīng)不同劑量COS干預(yù)后，IgAN小鼠模型的腸道微生物群整體得到恢復(fù)。β多樣性分析（PCoA和PLS-DA）表明，與對照組相比，COS干預(yù)后的腸道微生物群表現(xiàn)出顯著改變，其結(jié)構(gòu)向?qū)φ战M方向轉(zhuǎn)變。

腸道微生物群組成分析顯示，不同劑量COS干預(yù)后富集的微生物群存在差異：COS-L組主要富集未分類的毛螺菌科（unclassified?Lachnospiraceae）、支原體屬（Anaeroplasma）、振蕩桿菌屬（Oscillibacter）、嗜木糖真桿菌群（Eubacterium?xylanophilum?group）和單球?qū)伲∕onoglobus）；而COS-H組主要富集未培養(yǎng)的擬桿菌目細(xì)菌（uncultured?Bacteroidales?bacterium）、理研菌屬（Rikenella）、臭味桿菌屬（Odoribacter）和乳酸桿菌屬（Lactobacillus）。

與此同時發(fā)現(xiàn)：COS-L（低劑量殼寡糖）和COS-H（高劑量殼寡糖）均有效抑制了IgAN模型中顯著增加的微生物豐度，由此，實現(xiàn)了對IgAN模型腸道微生物群的反向平衡調(diào)節(jié)。

? 靶向微生物調(diào)控減輕腸道屏障損傷，并且對IgA發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用

此外，作者進一步探討了調(diào)節(jié)特定微生物群落對腸道屏障和黏膜免疫的影響。結(jié)果顯示，COS干預(yù)組顯著改善了腸道通透性指標(biāo)。對D-LA和LPS的改善效果呈劑量依賴性，其中COS-H組的改善效果最佳。陽性對照組也顯示出對IgAN模型引起的腸道損傷的改善。H&E染色還顯示，COS干預(yù)導(dǎo)致結(jié)腸結(jié)構(gòu)清晰完整，腸腺排列規(guī)則，趨于正?；?。

同時，COS干預(yù)緩解了IgAN模型中B細(xì)胞過度活化引起的IgA失衡。顯著降低了小鼠血清中BAFF（COS-L組，p?<??0.001；COS-H組，p?<?0.001）和APRIL（COS-L組，p?<?0.001；COS-H組，p?<?0.001）的水平。COS-H組的IgA水平顯著降低（p?<?0.05）?？偨Y(jié)來說，針對IgAN中特定微生物群落的靶向調(diào)節(jié)可抑制APRIL和BAFF的過表達(dá)，從而對IgA發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。

? IgAN患者糞菌移植會引起模型小鼠產(chǎn)生腎損傷

采用人類微生物群相關(guān)HMA-IgAN小鼠模型探討小鼠模型與人類微生物群的差異，并計劃驗證IgAN誘導(dǎo)的人體腸道微生物群演變對小鼠腎功能的影響。腎免疫熒光顯示，HMA-IgAN小鼠腎小球IgA（p?<?0.01）、C3（p?<?0.01）和IgG（p?<?0.001）沉積與IgAN模型小鼠觀察到的結(jié)果相似。PAS染色顯示，HMA-IgAN小鼠腎小球系膜細(xì)胞顯著增生伴炎性浸潤，與IgAN模型組相似。與HMA-HC組相比，HMA-IgAN小鼠表現(xiàn)出與IgAN模型相似的腎損傷，血尿素氮（BUN，p?<?0.05）、尿酸（UA，p?<??0.05）、血肌酐（Scr，p?<?0.001）和尿白蛋白/肌酐比（ACR，p?<?0.01）顯著升高。

這些結(jié)果表明，IgAN狀態(tài)下的腸道微生物群可誘導(dǎo)成功構(gòu)建IgAN小鼠模型，并導(dǎo)致宿主腎損傷，其損傷程度與IgAN小鼠模型觀察到的損傷相當(dāng)。

? HMA-IgAN小鼠模型重現(xiàn)了腸道菌群失調(diào)

進一步分析發(fā)現(xiàn)：與HMA-HC組相比，HMA-IgAN組小鼠腸道微生物群的α多樣性顯著降低。β多樣性分析顯示，兩組的聚類之間存在明顯的分化。兩組的微生物群特征也存在顯著差異。在屬水平上，HMA-IgAN小鼠表現(xiàn)出擬桿菌屬（Bacteroides）、未培養(yǎng)的擬桿菌目細(xì)菌（uncultured?Bacteroidales?bacterium）、丹毒絲菌屬（Erysipelatoclostridium）和厭氧梭菌屬（Anaerofustis）的增加。相對應(yīng)的種水平豐度也發(fā)生了顯著的升高或降低，以上結(jié)果表明，HMA-IgAN小鼠模型可以誘導(dǎo)腸道微生物群多樣性（ACE、Shannon和Chao1指數(shù)）的紊亂以及微生物群落結(jié)構(gòu)的改變。

? COSF增加了HMA-IgAN小鼠模型腸道菌群多樣性，并且維持了腸道穩(wěn)態(tài)

最后，作者在IgA腎病（IgAN）小鼠模型中，進一步給予COS和COSF（殼寡糖制劑）進行干預(yù)。結(jié)果顯示，COS和COSF干預(yù)皆顯著增加了HMA-IgAN小鼠腸道微生物群的α多樣性指數(shù)，從而增加了腸道微生物群的豐富度。聚類結(jié)果顯示，HMA-IgAN組的樣本與對照組和干預(yù)組的樣本明顯分離，干預(yù)組樣本傾向于與對照組相似。采用LEfSe分析比較了HMA-HC組、HMA-IgAN組、COS干預(yù)組和COSF干預(yù)組之間的差異微生物群，并鑒定了各組的差異微生物群。在屬水平，COS可富集雙歧桿菌（Bifidobacterium）和羅斯氏菌（Roseburia）。COSF組富集的微生物群包括普氏菌（Alistipes）、未分類的振蕩螺菌科（Oscillospiraceae）、臭味桿菌（Odoribacter）、里肯氏菌（Rikenella）和未培養(yǎng)的瘤胃菌。

相對應(yīng)的種水平豐度也發(fā)生了顯著的升高或降低，結(jié)合前期介紹的IgAN模型組COS干預(yù)后的微生物變化，可得出結(jié)論：COS和COSF能夠平衡兩個模型中特定微生物群的失調(diào)。

? COSF可改善HMA-IgAN小鼠模型的腎功能修復(fù)

最后作者發(fā)現(xiàn)COS與COSF（殼寡糖制劑）皆顯著改善了HMA-IgAN小鼠模型的各項腎功能指標(biāo)，顯著降低了UA（p?<?0.05）、Scr（p?<?0.01）、BUN（p?<?0.05）和ACR（p?<?0.001）水平。

腎小球PAS染色結(jié)果顯示，COS和COSF干預(yù)顯著降低了IgA（COS,?p?<??0.001;?COSF,?p?<?0.001）、C3（COS,?p?<?0.05;?COSF,?p?<?0.01）和IgG（COS,?p?<?0.01;?COSF,?p?<?0.01）的沉積，并對系膜細(xì)胞增殖和基質(zhì)擴張具有明顯的抑制作用，其中COSF組在腎小球系膜區(qū)增殖方面顯示出更顯著的改善。

總結(jié)來說，COSF干預(yù)可通過靶向調(diào)節(jié)HMA-IgAN小鼠模型內(nèi)的特定微生物群落來增強腎功能。

研究總結(jié)

該研究采用IgAN和人類微生物群相關(guān)模型來研究IgAN對腸道微生物群改變的影響以及腸道微生物群的可能會觸發(fā)?IgAN的機制。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)了殼聚糖?（COS）和COS制劑（COSF）具有微生物群靶向功能，可增強腸道屏障和腎功能的作用。這些結(jié)果表明，IgAN可導(dǎo)致α多樣性降低和腸道微生物群的結(jié)構(gòu)改變。同時，腸道也出現(xiàn)了B細(xì)胞免疫失衡和緊密連接蛋白水平降低（ZO-1和Occludin）。而COS/COSF可通過靶向調(diào)節(jié)富集腸道屏障和粘膜免疫相關(guān)微生物群來增強腸道ZO-1表達(dá)，減少B細(xì)胞活化因子（BAFF）和增殖誘導(dǎo)配體（APRIL）過表達(dá)，從而減少IgAN中的腎損傷。

總之，該研究證明了部分腸道菌群與IgAN的之間的機制關(guān)系，為開發(fā)針對微生物群的食物干預(yù)措施改善IgAN提供科學(xué)依據(jù)。

以上內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪

該研究為這一難題提供了全新解決方案：神經(jīng)肽SP（Substance?P）可通過重塑腸道菌群、促進菌群代謝物肌醇生成，同步改善DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎與焦慮樣行為。這項研究不僅首次闡明了“SP-腸道菌群-肌醇-海馬體信號通路”的完整調(diào)控鏈，更以多組學(xué)技術(shù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膭游飳嶒烌炞C其機制，為IBD合并精神障礙的治療開辟了新賽道。百邁客生物為該研究提供了非靶向代謝組和16S?rRNA測序服務(wù)。

研究背景

炎癥性腸?。↖BD）包含潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病，是一種慢性腸道炎癥疾病，患者焦慮發(fā)生率高達(dá)?30%、抑郁發(fā)生率達(dá)?25%，但腸道外的精神癥狀常被忽視。腸-腦軸介導(dǎo)腸道炎癥與精神癥狀的關(guān)聯(lián)，腸道微生物群及其代謝物通過腸?–?腦軸調(diào)控腦功能，但硫酸葡聚糖鈉（DSS）誘導(dǎo)的腸道菌群變化如何影響情緒相關(guān)中樞系統(tǒng)尚不明確。

神經(jīng)肽P物質(zhì)（SP）在腸-腦軸各層面均有表達(dá)，已被證實具有抗炎、神經(jīng)保護作用，且能改善DSS誘導(dǎo)的急性結(jié)腸炎，但SP是否通過腸道微生物群調(diào)控腸道屏障功能和中樞神經(jīng)系統(tǒng)以改善焦慮樣癥狀，尚未明確。

研究結(jié)果

SP改善DSS誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎癥狀

該研究采用DSS處理成功誘導(dǎo)出結(jié)腸炎小鼠模型。為評估SP在結(jié)腸炎發(fā)病機制中的作用通過靜脈注射SP干預(yù)，從“腸道病理-腸道屏障-炎癥因子-行為學(xué)”?多維度驗證SP的保護作用。

SP處理顯著降低疾病活動指數(shù)（DAI），減輕體重下降，恢復(fù)結(jié)腸長度，降低脾臟?/?體重比。HE染色顯示，SP處理組結(jié)腸黏膜上皮完整、隱窩結(jié)構(gòu)正常，黏膜下層無明顯水腫和炎癥細(xì)胞浸潤，組織學(xué)評分顯著低于DSS組；透射電鏡觀察到SP修復(fù)DSS導(dǎo)致的腸上皮細(xì)胞間隙增寬、微絨毛縮短卷曲。腸道屏障功能修復(fù)AB-PAS染色顯示SP緩解DSS誘導(dǎo)的杯狀細(xì)胞減少；免疫熒光證實SP上調(diào)腸道黏液屏障關(guān)鍵成分MUC-2的表達(dá)；FITC-葡聚糖檢測表明SP降低腸道通透性，減少外來物質(zhì)滲漏。Luminex檢測顯示，SP顯著降低結(jié)腸組織中TNF-α、IL-1β、IL-6、IFN-γ等促炎因子水平，且SP單獨處理組無明顯異常癥狀。

DSS撤藥后腸道炎癥消退，SP仍能改善殘留焦慮樣行為，表明其對腸腦軸的調(diào)控不依賴腸道炎癥緩解，具有獨立性。

圖1 SP改善DSS誘導(dǎo)小鼠的結(jié)腸炎癥狀及焦慮樣行為

SP可減輕DSS誘導(dǎo)小鼠的海馬損傷及神經(jīng)炎癥

海馬損傷可影響情緒調(diào)節(jié)中樞的功能，進而導(dǎo)致抑郁和焦慮等精神障礙。通過組織學(xué)染色、細(xì)胞標(biāo)記與細(xì)胞因子檢測，探究SPSP在減輕神經(jīng)炎癥中的作用。

SP顯著減輕DSS誘導(dǎo)的海馬體神經(jīng)元丟失、核固縮、尼氏小體減少等病理損傷，維持神經(jīng)元形態(tài)完整。檢測了海馬組織中炎癥介質(zhì)的濃度，結(jié)果顯示，SP顯著降低了DSS處理小鼠海馬中IL-1β、?TNF?-α、IL-9、?IFN?-γ、IL-13、IL-6、G-CSF、GM-CSF、?MIP?-1β和IL-12P70的水平，但提高了IL-4、IL-5和IL-10的水平，結(jié)果表明，SP通過調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子與抗炎因子之間的平衡，減輕了DSS誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)炎癥。

為探究SP對小膠質(zhì)細(xì)胞/星形膠質(zhì)細(xì)胞的影響，統(tǒng)計了各組海馬區(qū)這兩種細(xì)胞的數(shù)量。發(fā)現(xiàn)SP減少DSS誘導(dǎo)的Iba-1陽性小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量（抑制小膠質(zhì)細(xì)胞活化），增加GFAP陽性星形膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量（防止星形膠質(zhì)細(xì)胞丟失）；Western?blot證實SP降低M1型小膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物iNOS的表達(dá)，上調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)志物GFAP的表達(dá)。合理推斷，SP通過減輕結(jié)腸炎小鼠海馬區(qū)的病理損傷和神經(jīng)炎癥，改善了其焦慮樣行為，這可能與抑制小膠質(zhì)細(xì)胞向M1表型極化及防止星形膠質(zhì)細(xì)胞丟失有關(guān)。

圖2 SP減輕DSS誘導(dǎo)小鼠的海馬損傷及神經(jīng)炎癥反應(yīng)

SP改善DSS誘導(dǎo)小鼠腸道菌群失調(diào)并改變微生物組功能

探究SP是否通過腸道菌群發(fā)揮作用，通過16S?rRNA測序分析SP對DSS誘導(dǎo)菌群失調(diào)的調(diào)控作用，結(jié)合PICRUSt2預(yù)測菌群代謝功能。

與DSS誘導(dǎo)組相比，SP對腸道菌群豐富度和多樣性均未產(chǎn)生顯著影響，PCoA分析顯示CON組、DSS組和DSS+SP組之間存在顯著差異，表明細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異。在門水平，SP?顯著提高厚壁菌門（Firmicutes）相對豐度，降低擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門（Proteobacteria）豐度。在科水平，SP?增加毛螺菌科（Lachnospiraceae）、鼠桿菌科（Muribaculaceae）豐度，降低擬桿菌科（Bacteroidaceae）、腸桿菌科（Enterobacteriaceae）豐度。在屬水平，DSS+SP組中擬桿菌屬（Bacteroides）和擬桿菌亞屬（Alistipes）的相對豐度降低，而unclassified_Lachnospiraceae、unclassified_Muribaculaceae和?Lachnospiraceae_NK4A136_group的相對豐度上調(diào)。PICRUSt2預(yù)測顯示，SP顯著激活肌醇磷酸代謝、膽汁分泌、NOD?樣受體信號通路等功能模塊，抑制戊糖磷酸途徑、生物膜形成等DSS誘導(dǎo)的異常功能模塊。

圖3 SP可改善DSS誘導(dǎo)小鼠的腸道菌群失調(diào)并改變微生物組功能

SP通過調(diào)節(jié)腸道菌群預(yù)防DSS誘導(dǎo)的腸道損傷及焦慮樣障礙

為驗證腸道菌群是否為SP發(fā)揮作用的必需環(huán)節(jié)，進行了抗生素耗竭實驗驗證。ABX處理14天成功構(gòu)建偽無菌小鼠模型后，SP對DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎癥狀（DAI、體重、結(jié)腸長度、腸道結(jié)構(gòu)）和焦慮樣行為的改善作用顯著減弱，表明SP的保護作用依賴腸道菌群。

同時進行了糞便微生物移植（FMT）實驗驗證，F(xiàn)MT-DSS+SP組表現(xiàn)出更輕的體重下降、更低的DAI、緩解結(jié)腸縮短以及降低的脾臟/體重比，腸道黏膜損傷減輕，杯狀細(xì)胞數(shù)量增加，TNF-α、IL-6等促炎因子水平降低，MPO活性減弱。FMT-DSS+SP組小鼠海馬神經(jīng)元損傷也得到了緩解，促炎因子（TNF-α、IL-1β）mRNA表達(dá)降低，抗炎因子IL-4表達(dá)升高，小膠質(zhì)細(xì)胞M1表型（iNOS、CD80）表達(dá)降低，M2表型（CD206）表達(dá)升高，星形膠質(zhì)細(xì)胞GFAP表達(dá)上調(diào)。此外腸道菌群結(jié)構(gòu)也與FMT-DSS組存在顯著差異，厚壁菌門、未分類鼠桿菌科等有益菌群豐度升高，擬桿菌屬等有害菌群豐度降低。

直接證實SP的保護作用依賴腸道菌群，排除SP直接穿過血腦屏障發(fā)揮作用的可能，明確菌群是SP調(diào)控腸腦軸的核心“中間人”。

圖4 SP以腸道微生物群依賴性方式預(yù)防DSS誘導(dǎo)的腸道損傷及焦慮樣障礙

圖5 FMT實驗表明SP通過調(diào)節(jié)腸道菌群減輕了DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎和焦慮樣行為

SP通過調(diào)控腸道菌群影響海馬基因表達(dá)，涉及NF-κB和GABAergic/Ca2?信號通路

通過轉(zhuǎn)錄組測序分析FMT處理小鼠海馬體的差異表達(dá)基因，結(jié)合WB、免疫熒光染色，明確SP調(diào)控菌群后對腦內(nèi)信號通路的影響。

RNA-seq顯示，F(xiàn)MT-DSS與FMT-CON組存在436個差異表達(dá)基因（DEGs），F(xiàn)MT-DSS+SP組與FMT-DSS組存在387個DEGs，其中158個基因為共同調(diào)控基因。KEGG分析顯示DSS組NF-κB通路激活，而SP通過菌群抑制其激活。qRT-PCR和Western?blot證實，SP降低海馬組織中IKBα、p65?的mRNA表達(dá)及p-p65、p-IKBα的蛋白表達(dá)；免疫熒光顯示SP減少小膠質(zhì)細(xì)胞中p-IKBα陽性信號，抑制小膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB通路激活。KEGG分析顯示SP激活神經(jīng)活性配體-受體相互作用和Ca2?信號通路。qRT-PCR顯示SP上調(diào)海馬組織中Gabra1、Gabra3、Gabrb2、Camk2d等基因表達(dá)；Western?blot證實SP增加GABA_A?Rα1、GABA_B?R2、GAD65（GABA?合成關(guān)鍵酶）和CaMKII（鈣濃度傳感器）的蛋白表達(dá)。

免疫熒光顯示SP增強星形膠質(zhì)細(xì)胞中GABA_A?Rα1和CaMKII的陽性表達(dá)；流式分選細(xì)胞RNA-seq顯示，SP抑制小膠質(zhì)細(xì)胞中NF-κB通路相關(guān)基因富集，促進星形膠質(zhì)細(xì)胞中GABA能突觸和鈣信號通路相關(guān)基因富集。

圖6 SP通過調(diào)節(jié)腸道微生物組影響海馬基因的表達(dá)

SP增強腸道微生物源性代謝物肌醇的富集

腸道菌群通過代謝物介導(dǎo)腸腦軸溝通，采用非靶向代謝組學(xué)分析DSS、DSS+SP、CON三組小鼠的結(jié)腸內(nèi)容物代謝譜，篩選SP調(diào)控的關(guān)鍵代謝物。

PLS-DA分析顯示，三組代謝譜存在顯著分離，DSS+SP組代謝表型更接近CON?組，表明SP可逆轉(zhuǎn)?DSS?誘導(dǎo)的代謝紊亂。共鑒定出395個差異代謝物，其中肌醇（inositol）是SP干預(yù)后升高最顯著的代謝物之一，且富集于肌醇磷酸代謝、半乳糖代謝等通路。

Spearman相關(guān)性分析顯示，肌醇水平與有益菌群呈正相關(guān)，與結(jié)腸炎嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)，提示肌醇可能是菌群介導(dǎo)?SP?保護作用的關(guān)鍵?“信使分子”。

圖7 SP可增強腸道微生物群源代謝物肌醇的富集

肌醇給藥可改善DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎及焦慮樣障礙

通過飲水給予DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠2%肌醇干預(yù)，驗證肌醇是否能單獨模擬SP的雙向保護作用。

肌醇顯著抑制DSS誘導(dǎo)的體重丟失和DAI升高，恢復(fù)結(jié)腸長度，修復(fù)腸道上皮損傷，上調(diào)E-cadherin，降低結(jié)腸組織中IL-1β、IL-6、TNF-α的mRNA表達(dá)。肌醇處理組在開放場試驗中移動距離、中央?yún)^(qū)域活動增加，在高架十字迷宮中開放臂停留時間和進入次數(shù)增加，焦慮樣行為緩解。肌醇緩解?DSS?誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)元核固縮和尼氏小體丟失，降低海馬組織中促炎因子（IL-6、IL-1β、TNF-α）mRNA?表達(dá)，升高抗炎因子IL-10表達(dá)；減少Iba-1陽性小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量，促進GABA合成與受體表達(dá)，增加星形膠質(zhì)細(xì)胞及GAT1免疫陽性表達(dá)。而單獨補充肌醇組與對照組（CON）相比，未觀察到明顯的腸道病理學(xué)和行為學(xué)改變。綜上，這些數(shù)據(jù)表明肌醇可能是SP發(fā)揮有益效應(yīng)的關(guān)鍵候選代謝物。

圖8 腸道代謝物肌醇介導(dǎo)SP對DSS誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸炎及焦慮行為的保護作用

肌醇在SP對DSS誘導(dǎo)小鼠焦慮樣行為的作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用

用肌醇合成抑制劑L-690330干預(yù)，驗證肌醇是否為SP發(fā)揮作用的必需分子；同時通過體外細(xì)胞實驗，驗證肌醇對小膠質(zhì)細(xì)胞與星形膠質(zhì)細(xì)胞的直接調(diào)控作用。

L-690330處理后，SP對DSS小鼠的抗焦慮作用及海馬體保護效應(yīng)被顯著逆轉(zhuǎn)。肌醇水平升高：FMT-DSS+SP組小鼠海馬體與血清中肌醇濃度顯著高于FMT-DSS組，證實菌群衍生的肌醇可進入血液循環(huán)并作用于大腦。體外細(xì)胞驗證：①?小膠質(zhì)細(xì)胞（BV-2）：100μM肌醇可顯著降低LPS誘導(dǎo)的TNF-α、IL-1β、IL-6?等促炎因子表達(dá)，無細(xì)胞毒性；②?星形膠質(zhì)細(xì)胞（C8D1A）：肌醇可逆轉(zhuǎn)LPS誘導(dǎo)的GABA受體及CaMKII蛋白表達(dá)下調(diào)，激活GABAergic/Ca2?信號通路。

明確肌醇在SP調(diào)控通路中的“不可替代”地位，同時證實肌醇可直接調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞功能，完善“菌群代謝物?–?腦”的調(diào)控鏈條。

圖9 肌醇在SP對DSS誘導(dǎo)小鼠焦慮樣行為的作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用

研究總結(jié)

SP通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進有益菌群產(chǎn)生肌醇；肌醇進入循環(huán)后作用于海馬體，一方面抑制小膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB促炎通路，減輕神經(jīng)炎癥；另一方面激活星形膠質(zhì)細(xì)胞GABAergic/Ca2?信號通路，增強抗焦慮神經(jīng)傳導(dǎo)；最終實現(xiàn)對結(jié)腸炎的腸道保護與焦慮樣行為的神經(jīng)調(diào)節(jié)，形成“SP-腸道菌群-肌醇-海馬體”的完整調(diào)控軸。

該研究通過田間試驗結(jié)合宏基因組、理化分析及結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)解析了?“稻?–?川芎輪作”?模式降低川芎鎘積累、提升活性成分的分子與微生態(tài)機制，為道地中藥材安全優(yōu)質(zhì)種植提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐與理論依據(jù)。百邁客生物為該研究提供了宏基因組測序服務(wù)。

研究背景

川芎，作為活血行氣、祛風(fēng)止痛的經(jīng)典中藥材，在中醫(yī)臨床及現(xiàn)代中成藥制劑中應(yīng)用廣泛。然而，隨著土壤環(huán)境污染問題日益顯著，川芎中鎘元素含量超標(biāo)現(xiàn)象屢見不鮮，不僅嚴(yán)重影響藥材質(zhì)量與臨床用藥安全，也制約了川芎產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。在植物降鎘領(lǐng)域，現(xiàn)有研究多集中于施用改良劑、篩選低積累品種或利用植物修復(fù)等。探尋一種既能有效阻控鎘吸收，又能兼顧藥材產(chǎn)量、品質(zhì)與種植效益的農(nóng)藝措施，成為產(chǎn)業(yè)與科研共同關(guān)注的焦點。

對此，國錦琳教授團隊率先將研究視角聚焦于川芎道地產(chǎn)區(qū)廣泛沿用的水稻-川芎輪作（Rice-Chuanxiong?rotation,?RC）模式與傳統(tǒng)種植模式的差異，深入探究這一差異化種植方式背后的生態(tài)效應(yīng)及其應(yīng)用價值。

研究結(jié)果

該研究采用多學(xué)科整合方法開展系統(tǒng)性探究：首先在四川鎘污染農(nóng)田設(shè)置?“稻?–?川芎輪作（RC）”?與?“川芎連作（CC）”?對照試驗，追蹤川芎全生育期生長指標(biāo)；隨后通過HPLC測定活性成分、ICP-MS分析鎘含量、宏基因組解析根際微生物群落；結(jié)合土壤理化性質(zhì)檢測、酶活性分析，最終利用PLS-SEM模型構(gòu)建?“微生物?–?功能?–?土壤性質(zhì)?–?鎘積累”?調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)：

• 輪作顯著提升川芎品質(zhì)與安全性，使川芎根莖鎘含量降低46%（遠(yuǎn)低于藥典?1mg/kg?限值），活性成分藁本內(nèi)酯A含量提升44%，且不影響根莖產(chǎn)量；
• 根際微環(huán)境重塑是關(guān)鍵，輪作顯著富Geobacter、Nitrospira等7個功能屬，增強碳氮代謝等29條通路；
• 土壤理化性質(zhì)介導(dǎo)降鎘，輪作使土壤pH提升6%-16%、有機質(zhì)增加?13%-48%，通過吸附與絡(luò)合作用抑制鎘吸收；
• 調(diào)控機制明確，PLS-SEM模型證實，輪作通過招募特定微生物→強化碳氮代謝→提升土壤pH與有機質(zhì)→最終降低鎘積累，該路徑擬合度?0.6957；
• 輪作雖未降低土壤有效態(tài)鎘，但通過改變微生物功能與土壤性質(zhì)阻斷鎘向植株轉(zhuǎn)運；
• 根際微生物多樣性在收獲期顯著高于連作，且脫氫酶、蔗糖酶等關(guān)鍵酶活性提升?541%-143%，進一步佐證土壤健康改善；
• 輪作還降低了連作中富集的致病與促鎘積累微生物（如Ralstonia、Burkholderia），減少土傳病害風(fēng)險。

研究總結(jié)

該研究首次揭示了稻芎輪作（RC輪作）模式在降低川芎鎘富集方面的成效與核心機理。此模式不僅能大幅降低川芎的鎘含量，還能在保障川芎總產(chǎn)量的同時，顯著推動其有效成分的積累，達(dá)成“控鎘、增產(chǎn)、提質(zhì)”的三重目標(biāo)。研究闡明其核心優(yōu)勢機制：稻芎輪作通過重構(gòu)根際微生物群落，富集碳氮代謝相關(guān)的有益功能微生物，進而提升土壤pH值與有機質(zhì)含量，觸發(fā)了“根際微生物→微生物功能→土壤性質(zhì)→植物鎘積累”的級聯(lián)調(diào)控效應(yīng)，從源頭阻斷了鎘元素向川芎植株的遷移與富集。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，稻芎輪作模式無需額外投入化學(xué)材料、不產(chǎn)生環(huán)境副作用、易于在產(chǎn)區(qū)集成推廣，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟可行且效益顯著的生態(tài)農(nóng)藝解決方案。該研究成果的發(fā)表，標(biāo)志著在解決中藥材重金屬超標(biāo)問題上取得了重要進展，為川芎乃至其他根莖類中藥材的綠色、安全、規(guī)范化生產(chǎn)提供了堅實的科學(xué)依據(jù)和極具前景的實踐模式，對保障中藥材質(zhì)量安全、促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、保護耕地生態(tài)具有重要現(xiàn)實意義。

以上內(nèi)容來源于成都中醫(yī)藥大學(xué)，侵刪

該研究揭示甘露糖富集的Cetobacterium?somerae能將日糧中的精氨酸在腸道內(nèi)轉(zhuǎn)化為腐胺，并由肝臟進一步代謝為亞精胺，從而發(fā)揮減輕高脂日糧誘導(dǎo)的肝脂蓄積的作用，這一發(fā)現(xiàn)不僅闡明了腸道微生物與宿主之間跨界協(xié)同產(chǎn)生有益代謝物的全新機制，也為理解腸肝軸在代謝健康中的作用提供了突破性視角。百邁客生物為該研究提供了全長微生物多樣性測序服務(wù)。

研究背景

最新研究發(fā)現(xiàn)腸-肝軸涉及兩個器官間的相互作用，能通過多種微生物代謝物實現(xiàn)的雙向交流，表明腸道來源的細(xì)菌代謝物可能對肝臟健康產(chǎn)生正向或負(fù)向影響。為探究腸-肝相互作用，高脂飲食（HFD）模型是最成熟的實驗方法之一，腸道、微生物群與宿主肝臟之間的這種特殊相互作用表明腸道微生物可能產(chǎn)生許多尚未表征的代謝物，這些代謝物可循環(huán)至肝臟以影響肝功能。然而，迄今為止尚未發(fā)現(xiàn)任何腸道微生物代謝物經(jīng)肝臟代謝后轉(zhuǎn)化為有益于肝臟健康的成分。

研究結(jié)果

甘露糖補充緩解斑馬魚高脂飲食誘導(dǎo)的脂肪肝

因為已有報道表明甘露糖可改變腸道菌群組成并緩解小鼠脂肪肝，為了確定通過甘露糖富集或選擇腸道菌群是否能改善肝功能，進行了添加甘露糖的HFD喂養(yǎng)實驗。喂養(yǎng)試驗后，?HFD組斑馬魚的體重增長和肝臟三酰甘油（TAG）含量較正常脂肪飲食（NFD）組顯著增加，表明成功建立了營養(yǎng)性脂肪肝模型。與HFD組相比，NFD、5M（5?g/kg）和10M（10?g/kg）組通過降低肝臟脂合成相關(guān)基因的表達(dá)，肝臟TAG含量顯著降低，血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）和天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）水平顯著下降。H&E染色顯示，相比HFD組，5M和10M組肝臟的空泡數(shù)量和損傷評分明顯減少。5M和10M組肝臟促炎因子相關(guān)基因的表達(dá)也有所降低，總體而言，還觀察到HFD添加甘露糖后在形態(tài)學(xué)和分子水平上改善了斑馬魚的腸道健康。

圖1-甘露糖補充不能直接緩解HFD誘導(dǎo)的肝臟脂肪變性，但會促進C.somerae的生長

甘露糖補充改變腸道微生物群并選擇性富集CETOBACTERIUM

與HFD組相比，5M組和10M組中變形菌門（Proteobacteria）的相對豐度顯著降低，而梭桿菌門（Fusobacteriota）的相對豐度顯著增加。與HFD組相比，5M組和10M組中梭桿菌屬（Cetobacterium）的相對豐度顯著增加。腸道微生物群的α多樣性指數(shù)（Chao1和Shannon）在各組間無顯著差異。LEfSe分析顯示，5M組斑馬魚腸道中梭桿菌屬（Cetobacterium）高度富集。梭桿菌屬（Cetobacterium）是梭桿菌門（Fusobacteriota）的一個屬，在魚類中僅由單一物種C.?somerae代表，該菌通常棲息于多種魚類的腸道中。

此外，PCoA顯示HFD組和5M組的腸道微生物群完全分離，表明甘露糖補充顯著改變了斑馬魚的腸道微生物群組成。Spearman相關(guān)性分析顯示，變形菌門及其包含的近緣單胞菌屬（Plesiomonas）和氣單胞菌屬（Aeromonas）的相對豐度與TAG含量呈顯著正相關(guān)，而梭桿菌門（Fusobacteriota）和梭桿菌屬（Cetobacterium）的相對豐度與肝臟甘油三酯含量呈顯著負(fù)相關(guān)。為了進一步驗證Cetobacterium、Plesiomonas和Aeromonas的豐度與肝臟TAG含量的關(guān)系，收集了斑馬魚和鯉魚的公共數(shù)據(jù)集。Spearman相關(guān)分析顯示，Cetobacterium與肝臟TAG含量呈一致的顯著負(fù)相關(guān)，而Plesiomonas和Aeromonas則沒有。

對C.?SOMERAE的基因組與生長分析揭示其代謝甘露糖的能力

為探究甘露糖補充后腸道中這些不同細(xì)菌類群豐度變化的原因，該團隊對斑馬魚腸道中選定的菌株進行了全基因組測序分析，包括C.?somerae?XMX-1,?Plesiomonas?shigelloides?CB5?和Aeromonas?veronii??XMX-5。結(jié)果證實這些菌株存在顯著的功能差異。

首先，三種菌株的基因組結(jié)構(gòu)存在明顯差異。由于甘露糖喂養(yǎng)的斑馬魚腸道中Cetobacterium相對豐度較高，進一步比較了這三種細(xì)菌對單糖代謝途徑的差異。結(jié)果顯示，只有C.somerae具有代謝甘露糖的能力，進一步的生長實驗證實C.somerae可利用甘露糖作為其生長的主要碳源。相比之下，當(dāng)甘露糖作為主要碳源時，P.shigelloides?CB5和A.veronii?XMX?-5均未觀察到生長。

腸道C.?SOMERAE可減少斑馬魚肝臟脂肪蓄積

為明確甘露糖或C.?somerae是否能減少肝臟脂肪積累，研究了甘露糖對無菌（GF）斑馬魚肝臟脂肪積累的直接影響。結(jié)果證實，補充甘露糖的飲食并未減少肝臟脂肪積累，且與脂質(zhì)代謝和炎癥因子相關(guān)的基因表達(dá)未出現(xiàn)顯著變化。

然而，甘露糖改善的腸道菌群可減少斑馬魚肝臟脂肪積累。隨后，為直接驗證C.?somerae補充對降低肝臟脂質(zhì)積累的影響，在喂食HFD的GF斑馬魚幼體中添加了濃度為106?CFUs/g的C.?somerae。與HFD組相比，補充C.?somerae的組別肝臟TAG含量和油紅染色顯著降低。C.?somerae對宿主的保護作用已在脂質(zhì)代謝和炎癥相關(guān)基因中得到證實。

此外，團隊評估了P.?shigelloides?CB5或A.?veronii?XMX-5對肝臟降脂效果，證實這些菌株不影響斑馬魚肝臟脂肪含量。最后，發(fā)現(xiàn)C.?somerae可改善斑馬魚肝臟脂肪積累和腸道健康。

代謝組與基因組分析揭示了C.?SOMERAE中精氨酸-腐胺通路的存在

為探究C.?somerae可HFD下改善宿主肝臟健康的機制，結(jié)合基因組學(xué)和代謝組學(xué)分析以及同位素示蹤方法，來確定C.?somerae參與降低肝臟脂肪含量的活性成分。代謝組分析顯示，無菌培養(yǎng)基和C.?somerae上清液中的代謝物顯著分離，且組內(nèi)差異性較低。差異代謝物分析表明，腐胺是C.?somerae上清液中最豐富的代謝物之一。隨后團隊基于C.?somerae的基因組序列注釋了腐胺代謝途徑中的主要酶，并發(fā)現(xiàn)C.?somerae擁有編碼精氨酸脫羧酶的基因，以及胍丁胺脫亞胺酶和N-氨甲酰腐胺酰胺酶的基因，從而從胍基丁胺中產(chǎn)生腐胺，這與其他細(xì)菌的研究結(jié)果一致。

此外，C.?somerae的全譜代謝組分析顯示，該細(xì)菌可利用精氨酸產(chǎn)生胍基丁胺并進一步產(chǎn)生腐胺。進一步的靶向代謝組分析表明，精氨酸在48小時被C.?somerae完全利用，腐胺含量達(dá)到2.22?μmol/mL。為驗證該代謝途徑在C.?somerae中的存在，我們在培養(yǎng)基中添加了外源性同位素標(biāo)記的13C6?15N4-精氨酸。結(jié)果顯示，C.?somerae的上清液和細(xì)菌沉淀中均檢測到13C4?15N2-腐胺。最后，通過向培養(yǎng)基中補充D8-腐胺，驗證C.?somerae是否能進一步代謝腐胺生成亞精胺。結(jié)果表明，C.?somerae的上清液和細(xì)菌沉淀中均檢測到D8-腐胺，但未發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的亞精胺。綜合分析表明，C.?somerae可通過精氨酸代謝途徑產(chǎn)生腐胺，該代謝物可能具有降低肝臟脂質(zhì)的潛在作用。

圖2-亞精胺是改善HFD誘導(dǎo)性肝脂肪變性的效應(yīng)分子

腐胺對肝功能無直接影響，但其下游宿主代謝產(chǎn)物精脒可緩解脂肪肝病理改

亞精胺作為腐胺的下游代謝產(chǎn)物，已被證實可緩解肝臟脂肪變性，但未在C.somerae基因組中發(fā)現(xiàn)亞精胺合成酶（srm）基因，且在細(xì)菌上清液中也未檢測到該酶。此外，在C.somerae培養(yǎng)物的任何組分中均未檢測到13C415N2-亞精胺到D8-亞精胺。檢測了斑馬魚基因組，發(fā)現(xiàn)其確實存在可將腐胺代謝為亞精胺的亞精胺合成酶（EC:2.5.1.16）基因。采用斑馬魚肝臟（ZFL）細(xì)胞模型進行的同位素示蹤實驗顯示，?ZFL?細(xì)胞中檢測到總亞精胺中有57.78%為D8-亞精胺，表明?ZFL?細(xì)胞能夠?qū)8-腐胺代謝D8-亞精胺。

隨后研究團隊通過ZFL的HFD模型驗證腐胺和亞精胺是否會影響肝臟脂質(zhì)代謝。與對照組相比，腐胺和亞精胺處理的?ZFL?細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞內(nèi)甘油三酯含量顯著降低。為驗證亞精胺對肝功能的影響，在ZFL細(xì)胞和斑馬魚幼體中敲低了亞精胺合成酶。沉默亞精胺合成酶后，腐胺處理組的降脂效果消失，而亞精胺處理組仍保持該效應(yīng)。

HFD斑馬魚中腐胺-亞精胺交叉對話的發(fā)現(xiàn)

為驗證腸道微生物產(chǎn)生的腐胺是否可轉(zhuǎn)運至肝臟作為亞精胺合成的前體，體內(nèi)同位素示蹤實驗顯示：腸道中的D8-腐胺可通過血液轉(zhuǎn)運至肝臟，且肝臟可將84.50%的D8-腐胺代謝為D8-亞精胺，肝臟中亞精胺含量顯著高于腐胺。通過斑馬魚HFD模型進一步驗證了腐胺與亞精胺的降脂作用：與HFD組相比，腐胺和亞精胺處理組的肝臟甘油三酯含量均顯著降低；兩組肝臟中腐胺與亞精胺水平均恢復(fù)至正常水平。補充甘露糖和C.?somerae的實驗組亦證實此結(jié)果，表明肝臟是腐胺轉(zhuǎn)化為亞精胺的主要代謝場所。

研究總結(jié)

該研究發(fā)現(xiàn)了一種涉及精氨酸-腐胺-亞精胺級聯(lián)代謝途徑的新機制，該機制通過腸道C.?somerae與宿主肝臟的協(xié)同作用改善肝臟脂肪變性。關(guān)于腸道-肝臟軸中微生物-宿主代謝相互作用產(chǎn)生有用代謝物亞精胺的新發(fā)現(xiàn)，提出了腸道-肝臟軸中宿主-微生物交叉對話的新概念。

研究成果以“Microbial?ecosystem?and?ecological?driving?forces?in?the?deepest?ocean?sediments”為題發(fā)表在《Cell》雜志上。百邁客生物為該研究提供了測序服務(wù)。

Microbial ecosystem and ecological driving forces in the deepest ocean sediments

研究背景

深淵區(qū)（水深超6,000米，或根據(jù)聯(lián)合國教科文組織定義為水深超過6500米）占海洋垂直深度的45%，以極端高壓（110兆帕）、低溫（接近冰點）、黑暗及有機質(zhì)稀缺為特征。盡管環(huán)境嚴(yán)酷，這里卻孕育了獨特的生物群落，如凝膠狀魚類、端足類甲殼動物及依賴化能合成的微生物。這些生物通過基因和代謝途徑的適應(yīng)性進化，成為研究生命極限的范本。

從1960年起，人類對深淵的探索歷程一直伴隨著巨大的代價和犧牲，也為現(xiàn)代深淵研究奠定了基礎(chǔ)。直至中國“奮斗者號”全海深載人潛水器的出現(xiàn)（2020年創(chuàng)下10,909米下潛紀(jì)錄），深淵科考進入新階段。其220公斤有效載荷、高速水聲通信系統(tǒng)及高國產(chǎn)化率，顯著提升了采樣精度與效率。

研究內(nèi)容及結(jié)果

構(gòu)建海洋最深生態(tài)系統(tǒng)圖景

上海交通大學(xué)肖湘團隊，作為全球深海高壓微生物領(lǐng)域極少數(shù)至今在研的科學(xué)團隊，與中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所等國內(nèi)多家科研單位共同參加了“奮斗者”號載人潛水器TS21航次，探索了馬里亞納海溝、雅浦海溝和菲律賓海盆6000-11000米水深區(qū)域，其中雅浦海溝最深點為人類首次探索，采集了包括水體、沉積物、宏生物、巖石等千余份樣本。

通過對采集的1，648份沉積物樣本進行宏基因組測序，研究人員鑒定7,564個原核微生物物種，其中89.4%為未報道的新物種，這說明深淵微生物具有超乎想象的物種新穎性，盡管深淵調(diào)查區(qū)域的面積不足全球海洋的億分之一，其物種多樣性與已知的全球海洋微生物多樣性相當(dāng)，說明在最深海域超高壓下微生物異常繁榮。

為解釋深淵微生物的異常繁榮，肖湘團隊構(gòu)建了一種新的基于宏基因組的生態(tài)分析流程，將環(huán)境生態(tài)驅(qū)動過程與微生物基因組特征和代謝偏好結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)深淵微生物通過“精簡型”和“多能型”兩種截然不同的深淵環(huán)境適應(yīng)策略，支撐了高新穎性的微生物生態(tài)系統(tǒng)。

圖1.深淵微生物的超高新穎性和多樣性及其生態(tài)成因

構(gòu)建全球深淵微生物數(shù)據(jù)庫

“溟淵計劃”構(gòu)建的全球深淵微生物數(shù)據(jù)庫，總數(shù)據(jù)量與過去十年海洋微生物積累的總數(shù)據(jù)量相當(dāng)，研究發(fā)現(xiàn)的深淵微生物出人意料的超高新穎性和多樣性，展現(xiàn)了深淵生命的新資源潛能，可能幫助人類解決當(dāng)前面臨的常規(guī)環(huán)境生物資源枯竭的困境。

“溟淵計劃”微生物數(shù)據(jù)集將依托國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫向全球開放共享，呼吁國內(nèi)外研究學(xué)者協(xié)力攻堅深淵環(huán)境與生命的重大科學(xué)問題，拓展人類對深部生命的認(rèn)知邊界。

圖2.全球深淵微生物數(shù)據(jù)庫

該研究專題報道了深淵研究的重大進展，樣本分析顯示出較高的分類新穎性，為我們呈現(xiàn)了一個海洋深處極度繁榮的生態(tài)系統(tǒng)。重點研究了深淵生態(tài)系統(tǒng)，包括深淵微生物、深淵無脊椎動物（鉤蝦）和深淵脊椎動物（魚類）的特征與環(huán)境適應(yīng)，從而描繪了深淵特殊的食物鏈：從微生物到鉤蝦再到魚類。發(fā)現(xiàn)了深淵存在跨越物種邊界的深淵環(huán)境“共適應(yīng)”策略。

以上內(nèi)容來源于上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，侵刪

中文題目：5-ASA的腸道微生物代謝降低了其在炎癥性腸病中的臨床療效

發(fā)表期刊：nature medicine

發(fā)表時間：2023

影響因子：82.9

研究背景

炎性腸病 (IBD)是一種慢性、使人虛弱的胃腸疾病，治療失敗率較高。目前尚無系統(tǒng)的方法預(yù)測對IBD療法的反應(yīng)?？寡姿幬锩郎忱海脖环Q為5-氨基水楊酸 (5-ASA)，是IBD最常用的處方療法之一，通常在結(jié)腸內(nèi)發(fā)揮作用；然而，隨著時間的推移，超過一半的IBD患者對5-ASA沒有反應(yīng)或最終失去反應(yīng)。因此，有必要確定并消除此類治療失敗的原因。

研究思路

研究重點

1、來自IBD患者的多組學(xué)研究確定了5-ASA的使用

利用人類微生物組項目炎癥性腸病多組學(xué)數(shù)據(jù)庫（IBDMDB，http://ibdmdb.org），對79名克羅恩?。–D）或潰瘍性結(jié)腸炎（UC）患者的糞便樣本進行多組學(xué)分析，共鑒定了1036個宏基因組（MGX）、440個元轉(zhuǎn)錄本（MTX）和508個非靶向代謝組（MBX），以及283個MBX-MGX對和213個MGX-MTX對。隨后針對13名新使用5-ASA的患者來確定5-ASA在體內(nèi)直接調(diào)節(jié)的特定糞便代謝物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)5-ASA使用前后中的5-ASA和N-乙酰5-ASA水平呈顯著差異，且經(jīng)5-ASA治療后，賴氨酸合成途徑中的細(xì)菌代謝產(chǎn)物—2-氨基己二酸的含量減少，煙酸代謝也發(fā)生了顯著變化。

進一步評估微生物、宿主和其他因素對這些差異顯著的代謝物的相對貢獻，最終發(fā)現(xiàn)5-ASA的藥物水平在確定5-ASA調(diào)節(jié)代謝物水平方面具有最大的預(yù)測能力（35%），其次是微生物組特征（15%）和其他宿主因素（7%）。隨后，通過另一個獨立的IBD患者隊列中鑒定并驗證了兩種可能的5-ASA衍生物—N-丙?；?-ASA和N-丁?；?-ASA，它們的變化可以部分地由腸道微生物組來解釋。

圖1?5-ASA可直接影響糞便代謝組，并通過微生物組進行生物轉(zhuǎn)化

2、5-ASA代謝腸道微生物酶的鑒定

接下來確定參與5-ASA生物轉(zhuǎn)化的腸道微生物酶。首先對服用及未服用5-ASA的患者微生物進行轉(zhuǎn)錄組分析，最終鑒定了兩個顯著過表達(dá)的具有推定乙酰轉(zhuǎn)移酶功能的UniRef90基因簇：GNAT家族NAT（UniRef90 ID: C7H1G6）和乙酰輔酶a乙酰轉(zhuǎn)移酶（UniRef90 ID: R6TIX3），以及四個具有乙酰輔酶a乙酰轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)域的候選基因（IDs: R6CZ24, R5CY66, T5S060和A0A1C6JPG6）。隨后將糞便樣本分為N-乙酰5-ASA高水平和N-乙酰5-ASA低/陰性水平兩組，計算與N-乙酰5-ASA相關(guān)的每個元轉(zhuǎn)錄組基因簇的敏感性和特異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了另外7個假定的乙酰轉(zhuǎn)移酶基因簇與使用者的N-乙酰5-ASA水平呈正相關(guān)。最終得到的12個之前未被表征的候選乙酰轉(zhuǎn)移酶可分為硫解酶和?；o酶A N-?；D(zhuǎn)移酶兩組，其中?；o酶A NAT家族比硫解酶家族表現(xiàn)出更大的序列異質(zhì)性，且酰基輔酶A NAT酶幾乎都來自擬桿菌門，而硫解酶來自厚壁菌門。通過研究菌株水平的基因組，同樣發(fā)現(xiàn)了一部分普氏鐮孢菌株編碼相關(guān)的乙酰轉(zhuǎn)移酶。

圖2N-乙酰5-ASA微生物酶包括硫代酶和?；o酶A N-乙酰轉(zhuǎn)移酶

3、5-ASA失活酶生化特性的推定

為了推測硫解酶和?；o酶A NAT超家族具有潛在的5-ASA滅活能力，選用來自厚壁菌門的候選硫解酶CAG:176（UniRef90 ID: R6CZ24）和來自福氏假單胞菌的?；o酶A NAT（UniRef90 ID:C7H1G6）用于進一步的生化表征。用已知的腸道鏈球菌酶作為陽性對照，對乙?；?-ASA采用體外質(zhì)譜分析，最終證實了厚壁菌CAG:176硫解酶和F. prausnitzii?；o酶A NAT具有使用乙酰輔酶A乙?；?-ASA的能力。

隨后測試了硫解酶對其他含胺基異生素（包括5-ASA異構(gòu)體4-ASA、異煙肼、普魯卡因胺和肼屈嗪）的乙?；钚?，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)這些化合物的任何乙酰化，這表明了硫解酶的底物選擇性。此外，編碼第二個預(yù)測的硫解酶基因（R6TIX3）的Oscillibacter sp菌株KLE 1745的活培養(yǎng)物也能夠?qū)?-ASA乙?；癁镹-乙?；?-ASA。

為了深入了解厚壁菌CAG:176硫解酶（FcTHL）如何乙?；?-ASA，將FcTHL的乙?；磁潴w晶體結(jié)構(gòu)疊加在乙酰化硫解酶晶體結(jié)構(gòu)上，與來自充分表征的革蘭氏陰性分枝菌（ZrTHL）的乙酰輔酶A復(fù)合。隨后將FcTHL與NAT (PDB ID: 2PFR)的晶體結(jié)構(gòu)進行比對，進一步探究厚壁菌CAG:176硫解酶的推定活性位點是否類似于腸道鏈球菌NAT的活性位點，最終揭示了活性位點區(qū)域中的半胱氨酸和組氨酸三聯(lián)體。

圖3?5-ASA在體外的乙?；钚缘淖C實

4、IBD治療失敗與5-ASA代謝酶的宏基因組攜帶有關(guān)

基于臨床服用5-ASA的個體差異性，接下來檢查12種乙酰轉(zhuǎn)移酶的存在是否與5-ASA治療失敗有關(guān)。收集39名在任何時間點接受5-ASA治療及使用類固醇患者的609份糞便樣本，使用多變量邏輯回歸模型，調(diào)整與疾病風(fēng)險相關(guān)了因素-年齡、性別、吸煙狀況和IBD亞型，納入每個參與者的NAT2表型來解釋宿主遺傳，最終發(fā)現(xiàn)糞便樣本中存在4種乙酰轉(zhuǎn)移酶基因與類固醇起始風(fēng)險增加顯著相關(guān)。4種乙酰轉(zhuǎn)移酶基因有三種來自硫解酶超家族，一種來自酰基輔酶A超家族。且較早的發(fā)病年齡和CD與UC狀態(tài)相比，同樣與開始使用類固醇的更高風(fēng)險顯著相關(guān)。但未發(fā)現(xiàn)類固醇使用風(fēng)險和大腸桿菌NAT的宏基因組存在聯(lián)系。

在敏感性分析中，微生物乙酰轉(zhuǎn)移酶基因數(shù)量的增加與類固醇起始風(fēng)險的增加顯著相關(guān)；從未使用過5-ASA治療的患者基因家族與類固醇的使用沒有正相關(guān)。隨后使用混合效應(yīng)模型對參與者進行調(diào)整，發(fā)現(xiàn)存在三個或更多乙酰轉(zhuǎn)移酶基因也與類固醇使用風(fēng)險增加相關(guān)，這在隨后在未使用類固醇的208名5-ASA使用者隊列中得到了驗證。

圖4腸道微生物5-ASA滅活乙酰轉(zhuǎn)移酶與5-ASA使用者治療失敗的更大風(fēng)險相關(guān)

研究總結(jié)

本研究結(jié)果首次提供了特異性腸道代謝酶與IBD 5-ASA治療失敗之間的直接聯(lián)系，從而產(chǎn)生了直接的臨床潛力。5-ASA是UC最常用的處方藥。為了保持有效，它必須以未修飾的形式存在于結(jié)腸腔中，因此，與其他藥物不同，它在小腸中的吸收很差。5-ASA治療失敗的個體通常進展為風(fēng)險更高的免疫抑制治療，而只有在必要時 (即腸道微生物組中存在修飾5-ASA的硫解酶序列)才有能力這樣做，這將為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供有價值的生物標(biāo)志物。此外，闡明微生物失活5-ASA的酶學(xué)機制可能有助于未來研發(fā)微生物特異性酶抑制劑，以增強5-ASA的療效。在本研究中，我們的數(shù)據(jù)是觀察性的；需要更多的介入研究來加強我們的發(fā)現(xiàn)，無論是通過在IBD患者中的臨床試驗還是通過單定植小鼠。目前，這些發(fā)現(xiàn)為IBD的個性化微生物醫(yī)學(xué)打開了一扇概念之窗。

發(fā)表時間：2024年12月

合作單位：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境保護研究所

發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials（IF 8.9）

研究背景

塑料污染現(xiàn)狀嚴(yán)峻且向納米級轉(zhuǎn)化：塑料已成為現(xiàn)代生活不可或缺的材料，但大量塑料廢棄物造成了全球緊迫的環(huán)境問題，在水、海洋生物、人類排泄物甚至極地沉積物等多種介質(zhì)中均有檢出。環(huán)境風(fēng)化作用使塑料碎片逐漸分解為微塑料（<5μm）和納米塑料（<1μm），其中納米塑料（NPLs）因更豐富、反應(yīng)性更強，能到達(dá)更偏遠(yuǎn)區(qū)域并穿透活細(xì)胞，環(huán)境風(fēng)險遠(yuǎn)高于微塑料。納米塑料與抗生素抗性基因（ARGs）的關(guān)聯(lián)研究不足：已有研究表明塑料可促進 ARGs 增殖，且納米材料（如金屬納米顆粒 AgNPs、ZnO NPs）與細(xì)菌抗生素抗性進化相關(guān)，但關(guān)于納米塑料對細(xì)菌抗生素抗性的影響尚不明確。金屬納米顆粒與納米塑料在物理化學(xué)性質(zhì)和界面活性上存在本質(zhì)差異，且雖有研究指出微塑料可吸附 ARGs 加速其傳播，但納米塑料與耐藥菌共存狀態(tài)及作用機制的研究仍較零散。

粘質(zhì)沙雷氏菌的研究價值：粘質(zhì)沙雷氏菌在自然環(huán)境中分布廣泛，可定殖于水和土壤介質(zhì)，是醫(yī)院獲得性感染的重要條件致病菌，能引發(fā)肺炎、尿路感染和敗血癥等疾病，且其自身攜帶 ARGs。隨著廣譜抗生素的大量使用，該菌的耐藥性增強，對臨床治療構(gòu)成挑戰(zhàn)，因此研究納米塑料脅迫下其抗生素抗性軌跡具有重要意義。

測序策略

轉(zhuǎn)錄組測序（RNA-seq）+基因組測序

研究結(jié)論

1、納米塑料可促進粘質(zhì)沙雷氏菌抗生素抗性進化，且作用受粒徑影響：

暴露于納米塑料后，粘質(zhì)沙雷氏菌對磺胺甲噁唑（SMX）、諾氟沙星（NOR）、鏈霉素（STR）、卡那霉素（KA）等抗生素的抑菌圈逐漸縮小，ARGs 相對豐度顯著高于無納米塑料組（CK），且呈現(xiàn) “200nm 納米塑料組（T2）>600nm 納米塑料組（T1）>CK” 的規(guī)律（T2、T1、CK 的 ARGs 相對豐度中位數(shù)分別為 0.82%、0.62%、0.56%）。

隨著傳代，CK 和 T1 組的 ARGs 豐度呈下降趨勢（歸因于基因適應(yīng)性成本），但 T1 組下降幅度小于 CK 組，而 T2 組 ARGs 豐度呈上升趨勢，表明小粒徑納米塑料對細(xì)菌抗生素抗性進化的促進作用更顯著。

2、不同粒徑納米塑料促進抗性進化的機制存在差異：

600nm 納米塑料：主要通過影響細(xì)菌細(xì)胞膜通透性促進抗性。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，其誘導(dǎo)的差異表達(dá)基因（DEGs）多與物質(zhì)運輸和細(xì)胞膜功能相關(guān)，如 LysE 家族轉(zhuǎn)運蛋白、ABC 轉(zhuǎn)運蛋白通透酶等表達(dá)上調(diào)，增強抗生素外排能力，進而提升細(xì)菌抗性。

200nm 納米塑料：主要通過調(diào)控細(xì)菌代謝過程增強抗性。其誘導(dǎo)的 DEGs 多參與氧化還原過程、羧酸代謝過程等，如硫胺素焦磷酸結(jié)合蛋白（TPP）下調(diào)導(dǎo)致細(xì)菌代謝受損，激活抗性相關(guān)基因表達(dá)；環(huán)氧奎奴基還原酶 QueH 上調(diào)提高細(xì)菌蛋白質(zhì)合成效率，促進外排泵等抗性相關(guān)蛋白合成。同時，200nm 納米塑料對細(xì)菌生長抑制更強，使細(xì)菌進入低代謝休眠狀態(tài)，抵抗抗生素攻擊。

3、納米塑料通過誘導(dǎo)基因突變增強細(xì)菌抗性：

納米塑料暴露會導(dǎo)致粘質(zhì)沙雷氏菌發(fā)生單核苷酸多態(tài)性（SNP）突變，且粒徑越小突變概率越高（T2 組 SNP 純合子數(shù)量 31513 個，T1 組 31380 個）。突變基因功能主要涉及催化活性、結(jié)合、細(xì)胞膜、細(xì)胞過程和代謝過程，部分突變基因（如 HMI62_RS24365）可改變細(xì)胞膜功能，增強抗生素外排，進而提升抗性。

4、納米塑料可加速 ARGs 水平轉(zhuǎn)移，小粒徑作用更突出：

納米塑料暴露顯著提高粘質(zhì)沙雷氏菌的接合轉(zhuǎn)移頻率（T2 組 22.98%、T1 組 8.13%、CK 組 7.35%）和游離質(zhì)粒轉(zhuǎn)化能力（T2 組轉(zhuǎn)化頻率是 CK 組的 6 倍，T1 組是 CK 組的 2 倍），且轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒攜帶多種抗性基因和外排泵基因。

分子對接顯示，納米塑料可與細(xì)菌細(xì)胞膜蛋白（如 5NUQ，結(jié)合能 – 8.54kcal/mol）結(jié)合，像 “牽引器” 一樣促進細(xì)菌間接觸；同時，納米塑料能增強細(xì)菌運動能力（T2 組細(xì)菌擴散圈最大），進一步提高 ARGs 水平轉(zhuǎn)移頻率。

結(jié)果展示

現(xiàn)在，百邁客生物細(xì)菌基因組產(chǎn)品帶著五大核心升級重磅來襲，從樣本起始量到分析周期，從組裝方式到數(shù)據(jù)應(yīng)用，全方位打破行業(yè)瓶頸，為你的科研加速！

升級 1：低建庫起始量，珍貴樣本不再 “難倒英雄漢”

??很多時候，科研中的細(xì)菌樣本來之不易 —— 可能是臨床分離的少量病原菌，也可能是環(huán)境中富集的稀缺菌株，樣本量不足往往讓后續(xù)實驗 “卡殼”。此次百邁客生物 產(chǎn)品針對性優(yōu)化建庫技術(shù)：

• ONT 平臺：建庫起始量低至 500ng / 次，無需大量擴增即可啟動實驗；
• PB 平臺：建庫起始量低至 250ng / 次，珍貴樣本也能輕松滿足實驗需求。

再也不用為 “樣本少” 發(fā)愁，讓每一份寶貴樣本都能發(fā)揮最大研究價值！?

升級 2：純?nèi)M裝，擺脫二代數(shù)據(jù)依賴，分析流程直接 “拎包即用”

傳統(tǒng)細(xì)菌基因組組裝常需依賴二代數(shù)據(jù)校正，不僅增加了實驗成本，還延長了分析周期，流程銜接中也容易出現(xiàn)問題。

百邁客生物此次實現(xiàn)僅三代組裝技術(shù)突破：無需搭配二代數(shù)據(jù)，僅憑三代長讀長優(yōu)勢，就能完成高質(zhì)量基因組組裝。更重要的是，我們已搭建好完備的純?nèi)治隽鞒蹋瑥臄?shù)據(jù)下機到組裝結(jié)果輸出，全程標(biāo)準(zhǔn)化、自動化，無需你額外調(diào)試，拿到樣本即可啟動分析，大幅減少流程搭建的時間成本。

升級 3：極速周期低至 15 天，科研進度 “快人一步”

科研競爭講究 “時間就是成果”，漫長的分析周期往往會錯過最佳研究窗口。

百邁客生物通過技術(shù)優(yōu)化與流程重構(gòu)，將細(xì)菌基因組項目的整體周期壓縮至低至 15 天—— 從樣本接收、建庫測序，到組裝分析、結(jié)果交付，全程高效推進，讓你更快拿到核心數(shù)據(jù)，加速論文撰寫與項目結(jié)題。

升級 4：成功率≥98%，超高成功率，實驗放心 “不翻車”

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無論是復(fù)雜細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的細(xì)菌，還是低豐度樣本，我們都能最大限度保障實驗成功，讓你的科研每一步都更穩(wěn)妥。

升級 5：個性化上云功能，數(shù)據(jù)挖掘 “更懂你”

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打分參數(shù)、可靠性參數(shù)設(shè)置，均可隨性設(shè)置。

2、基因組圖譜查詢

云平臺內(nèi)置【基因組圖譜展示工具】，點擊即可查看基因組環(huán)形圖、基因位置分布等信息，直觀掌握基因組結(jié)構(gòu)（示意圖如下）

3、T3SS分泌系統(tǒng)預(yù)測

基于EffectiveT3精準(zhǔn)預(yù)測III型分泌蛋白，致病機制研究更深入！

4、GTDB-tk分類鑒定

輸入細(xì)菌基因組序列，即可通過該工具完成物種分類，明確菌株進化地位

5、ANI分析

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6、SNP進化樹構(gòu)建

物種進化樹（?稱系統(tǒng)發(fā)育樹或?命樹）是?物學(xué)中?來描述不同物種或?物類群之間演化關(guān)系的樹狀圖。它通過分?結(jié)構(gòu)展示物種的分化過程、共同祖先及親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近。使?snippy軟件進?core snp 分析，基于樣本間的core snp ，使?phmyl構(gòu)建進化樹，展示?標(biāo)物種與給定的菌株之前的近緣關(guān)系。

用 snippy 篩選核心 SNP，結(jié)合 phmyl 構(gòu)建進化樹，清晰展示目標(biāo)菌株與參考菌株的親緣關(guān)系，助力溯源與進化分析。

從 “能做” 到 “做好”，從 “出數(shù)據(jù)” 到 “出成果”，百邁客生物細(xì)菌基因組產(chǎn)品始終以研究者需求為核心，不斷迭代升級。此次五大升級已全面落地，后續(xù)還將推出更多貼合科研場景的功能，為你的細(xì)菌研究提供更強大的技術(shù)支撐！

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2 打開更新結(jié)題報告選項卡：進入?yún)?shù)更改設(shè)置

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