Cell Host & Microbe：肠道微生物群脂质代谢及其对宿主生理的影响

背景

肠道微生物群成员通过从头生物合成以及宿主和饮食底物的修饰，产生大量小分子。这些小分子在健康和疾病方面对哺乳动物生理学的各个方面都有重大影响。关于这些微生物代谢物如何影响宿主生理，我们的大部分理解都集中在可以有把握地注释的分子上，这只是在肠道组织和粪便中可以检测到的一小部分。在没有明确功能的情况下，对这些小分子的研究是按结构类别来组织的。脂质构成了一个排除类，主要由它们不是什么来定义——不是氨基酸或肽，不是核酸碱基、DNA或RNA，不是糖、多糖或复合碳水化合物。脂质是那些残留的不溶于水的分子，包含令人困惑的各种结构和功能。在本综述中，我们将遵循脂质的传统分类，即基于烷基链的脂肪酸及其衍生物，重点关注在细菌膜双层中发现的脂质。粪便中还发现了其他重要的微生物源性脂质，包括短链脂肪酸和宿主胆汁酸的次级代谢产物，但它们不是细菌外膜的组成部分，因此未纳入本综述。

简介

2023年2月8日，来自美国麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究所的Eric M. Brown及其团队在Cell Host & Microbe (IF: 31.316)杂志上发表名为Gut microbiome lipid metabolism and its impact on host physiology的研究[1]。

研究要点

共生肠道微生物产生的代谢产物通过免疫系统识别和影响多种代谢通路影响宿主健康。值得注意的是，肠道微生物群既可以转化和合成脂质，又能分解膳食中的脂质，从而产生具有宿主调控特性的次级代谢产物。虽然脂质在很大程度上被认为是结构作用，特别是在细胞膜上，但最近的研究使人们越来越认识到其信号传导活性，并对宿主健康和生理产生潜在影响。本文重点综述生物活性脂质在哺乳动物生理中的作用，特别是免疫和代谢方面的研究。

主要结果

肠道微生物群的脂类生物合成及其与宿主的相互作用

细菌能够合成的脂质种类繁多。我们才刚开始认识到肠道微生物群的这种多样性，因为通过代谢组学技术在粪便中检测到的大部分脂质仍未注释，且功能未知。我们正在进行大量工作，以生成培养的微生物组菌株的脂质组学概况，并结合质谱分析从既往的结构数据拼凑出脂质类别。其中许多工作围绕宿主-脂质注释展开，但最近开始解决细菌群落脂质组中的未知问题。在接下来的章节中，我们将讨论在肠道微生物群中发现的主要脂质类别，并提供它们在宿主信号传导中的作用 (图1)。

图1. 由肠道微生物群生物合成的膜脂及其已知的宿主信号功能

膳食脂质的微生物转化

肠道微生物群存在于哺乳动物的整个胃肠道中，并与摄入的所有膳食脂质接触。因此，肠道微生物群中的酶就像是第二肝，负责分解、转化和解毒食物成分，这可能对宿主健康产生有益和有害的影响。由于肝酶的功能是分解饮食和外源性脂质，微生物群酶在肠道中发挥类似的作用；然而，肠微生物酶的大部分功能性副产物仍是未知的。代谢组学研究比较了无菌小鼠和常规小鼠的粪便，结果表明，微生物群的存在会显著改变脂质谱、吸收和丰度。下文中，我们将讨论肠道微生物群如何代谢和生物转化人类摄入的主要脂质类别，以及对宿主免疫和代谢通路的下游影响 (图2)。由于我们的饮食含有各种各样的脂质，这绝不是所有生理上重要的饮食脂质的详尽清单。

图2. 微生物酶对膳食脂质的生物转化

宿主-微生物群脂质代谢和炎症

总体而言，(1)膳食脂质概况、(2)微生物酶功能和(3)宿主遗传学之间的相互作用导致了脂质代谢变化引起的慢性炎症易感性的主要差异 (图3)。在这三个变量中，微生物酶产生的脂质产物及其对全身炎症和循环脂质信号的影响是最不明确的。许多研究将基因和遗传多态性与人类特定疾病和循环脂质谱联系起来；然而，对于驱动临床结局的个体之间微生物酶功能的差异，我们知之甚少。我们开始认识到，微生物衍生的脂质及其对脂质代谢的影响在许多器官的宿主生物学功能中发挥着系统性作用。对健康人血清进行的深度代谢组学分析发现了数千种来自细菌的未知代谢物，其中许多被预测为脂质。最近的另一项研究发现，在决定健康人的循环脂质谱方面，肠道微生物群特征与饮食或宿主遗传同样重要。随着时间的推移，每个人的脂质组特征都是独特的，这些变化可能引发或化解炎症。例如，亚油酸和花生四烯酸代谢的副产物 (类花生酸和分解素)可对哺乳动物炎症的启动或分解产生深远影响，而肠道中的微生物酶可控制它们的循环。与许多炎症性疾病风险增加相关的脂肪酸去饱和酶基因FADS1和FADS2的多态性也控制着循环中的类花生酸水平；因此，必须将微生物群和宿主遗传学的结合考虑到脂质代谢失调导致的炎症风险。在许多情况下，在IBD或风湿病等慢性炎症性疾病的初始阶段，环境因素的影响超过了宿主遗传易感性。西方饮食中常见的单纯性碳水化合物、PUFAs和食品添加剂的过量摄入可引发实验性肠道炎症，这可能是结局差异大的原因。结合人类遗传学对人类微生物群进行的宏基因组学和代谢组学配对研究正开始梳理这些复杂的联系。IBD有这样的队列，而脂质代谢通路在炎症风险中非常重要。

图3. 人类膳食脂类代谢的变化影响代谢综合征和自身免疫发展的风险

结论及展望

肠道微生物群在脂质代谢 (包括消耗和产生)中的作用正逐渐成为人类健康和疾病的主要决定因素。未来的努力应扩大我们在将各种脂质与生物功能联系起来方面取得的有限进展，并将我们的理解应用于人类疾病。根据背景，可以抑制或引入影响健康的微生物酶，并且可以通过代谢组学和遗传分析对受试者进行筛选，从而在个体基础上将代谢特征与微生物群分布联系起来。我们可以利用这些数据对预防、诊断和治疗进行更明智的分析。更一般地说，我们应该纳入以下认识：我们体内循环的许多脂质来自微生物，我们对它们的反应极大地促进了临床结局。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1931312823000343?via%3Dihub

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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