靶向代谢组学-诺禾致源-TMAO神经递质胆汁酸氨基酸短链脂肪酸代谢

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靶向代谢组学

客户文章NM（IF28.3）|非靶代谢联合胆汁酸检测揭秘阿克曼菌免受SFTSV感染新机制

一、研究背景

严重发热伴血小板减少综合征(SFTS)是由布尼亚病毒科中的一种静脉病毒引起的一种新出现的蜱传播疾病。感染可导致全身性炎症反应综合征，致死率很高，目前尚无治疗方法或疫苗可用。而微生物区系与宿主对系统性病毒感染和疾病结局的易感性有关，但肠道微生物区系是否与严重发热伴血小板减少综合征病毒(SFTSV)感染有关尚不清楚。
2023年1月，军科院刘玮团队联合浙大朱书团队在 Nature Microbiology(IF=28.3)上发表了题为“Akkermansia muciniphila protects mice against an emerging tick-borne viral pathogen”的文章。该研究通过16SrRNA测序、非靶向代谢组学、靶向胆汁酸等技术手段。从SFTSV感染导致的肠道微生态变化入手，发现阿克曼菌（AKK）及其代谢产物骆驼蓬碱（HAL）可通过调控宿主的胆汁酸代谢，抑制SFTSV病毒感染所致全身性炎性反应。AKK及HAL预防或治疗SFTSV感染的候选微生态制剂的潜力，为SFTSV感染的临床救治提供了新策略新思路。其中非靶代谢组、靶向胆汁酸检测服务均由诺禾提供。

二、研究思路

三、研究结论

1.阿克曼菌通过减轻全身炎症来保护宿主免受SFTSV感染
对260例SFTS患者(存活患者为SF-S组，死亡患者为SF-D组)、176例非SFTSV发热患者(非SF)和19例健康对照(HC)的粪便进行16SrRNA测序。结果发现，与HC组相比，SF-S组中阿克曼菌、丰度显著增加，而与SF-S组相比，SF-D组中只有阿克曼菌显著减少（图1a-d）。相比而言，SF-S组相比SF-D组的血清促炎症细胞因子IL-1β、IL-6和肿瘤坏死因子-α的表达显著降低，其浓度与阿克曼菌的相对丰度呈负相关(图1e)。将4例SFTSV感染恢复期患者(高丰度AKK)或3例死于SFTSV感染的患者(低丰度AKK)的粪便样本移植于四联抗生素清除肠道菌群的(ABX)小鼠中，其存活率显著提高(图1g)。降低IL1b和IL6的表达，其肺、肝和脾的组织损伤均得到改善(图1h、i)。图1 阿克曼菌通过减轻全身炎症来保护宿主免受SFTSV感染分析
2.阿克曼菌介导初级胆汁酸产生通过抑制全身炎症反应保护宿主免受SFTSV感染
对来自SF-S组(n=222)、SF-D组(n=21)和非SF组(n=132)的405份血清样本进行了非靶向代谢组学分析，鉴定到SF-S组和非SF组之间差异代谢物69种，SF-S和SF-D组之间差异代谢物153种（图2a）。这些物质中，SF-S组与另两组相比，鹅去氧胆酸(CDCA)、鹅去氧胆酸(GCDCA)、鹅去氧胆酸(TCDCA)和牛磺酸脱氧胆酸(TDCA)等系列胆汁酸（BAs）显著增加(图2b)。此外，高GCDCA血清浓度与粘液弧菌相对丰度的增加呈正相关，与血清中IL-1β和IL-6的表达呈负相关（图2c、d）。与未治疗的对照组相比，三名接受GCDCA治疗的急性SFTS患者的外周血单核细胞（PBMC）表现出IL1B（但不是IL6）的表达显著降低，而CDCA将IL1B的表达增加了2.5倍（图2e）。作者用CDCA或GCDCA对五名健康捐献者的PBMC提取物进行了预处理，发现经CDCA预处理的PBMC中IL-1β和IL-6的表达显著降低，与未处理的对照相比，感染后的病毒复制显著减少（图2f、g）。TCDCA预处理还导致IL1B和IL6转录本显著降低，而TDCA预处理显著增加促炎细胞因子的表达（图2h）。图2 存活的SFTSV感染者血清GCDCA和TCDCA增加对PBMC炎症抑制分析后使用SFTSV感染PBS、ABX或阿克曼菌定植的ABX小鼠，对其血清样本进行非靶向代谢组学分析。PBS或阿克曼菌定植小鼠的差异代谢物富含胆汁分泌和胆固醇代谢（3a）。GCDCA和一系列牛磺酸结合的BAs，包括TCDCA、牛磺胆酸(TCA)、TDCA和牛磺胆酸盐-α-MCA(T-α-MCA)，在定植阿克曼菌的小鼠血清中的相对丰度显著增加(3b、c)。其中，GCDCA和TCDCA显著下调感染SFTSV的小鼠PBMC中IL6、IL1b和TNFa的表达(3d)。在ABX小鼠的饮用水中给予TCDCA 4周， TCDCA治疗显著提高了其血清浓度，并将感染ABX小鼠的死亡率降低了40%（3e）。此外，TCDCA治疗组小鼠的促炎细胞因子表达显著减少，组织损伤减轻（3f-h）。图3 阿克曼菌介导初级BA-TDCA保护宿主抑制SFTSV感染分析
3.阿克曼菌代谢物HAL通过上调肝细胞氨基乙酰转移酶（BAAT）表达抑制SFTSV感染引起的全身炎症反应
肝细胞通过胆固醇羟基化合成初级BAs，生成胆酸和CDCA，然后通过胆汁酰辅酶A合成酶(BACS)和BAAT23与甘氨酸或牛磺酸结合。关于阿克曼菌定植对TCDCA/GCDCA生物合成的影响，确定了BAAT的表达明显增强(4a)。由于路氏乳杆菌定植不能保护ABX小鼠免受SFTSV感染，使用路氏乳杆菌作为无关对照，其小鼠的肝脏中未检测到BAAT的水平上调(4b)。
为了研究细菌代谢产物介导的BAAT增强，作者通过对阿克曼菌在脑心输液中的培养上清液的非靶向代谢组分析。分析发现，HAL以剂量依赖的方式在Huh-7细胞系和小鼠原代肝细胞(MPH)中诱导明显更高的BAAT水平(4d、e)。HAL和CDCA联合作用于MPHs时，CDCA浓度显著降低，而TCDCA浓度显著升高。当靶向BAAT的小干扰RNA被转染到MPH中时，该表型消失，说明牛磺酸结合的代谢活动是由HAL以BAAT依赖的方式驱动的（4f）。与未经处理的ABX小鼠相比，HAL显著增加了BAAT在ABX动物肝组织中的表达（4g）。经HAL处理的ABX小鼠或GF小鼠的血清TCDCA水平显著增加。进一步的体内保护实验表明，HAL处理的ABX小鼠显示出更高的存活率，炎症因子和组织病理变化均明显改善(4h-j)。因此表明HAL在微生物区系缺乏的情况下发挥了抗SFTSV的作用。图4 阿克曼菌代谢产物HAL介导BAAT表达分析
4.BA GCDCA以依赖BA受体TGR5的方式抑制NF-κB介导的炎症反应
为了研究GCDCA抑制SFTSV诱导的炎症的分子机制，作者使用了人类细胞模型THP-1细胞。研究发现GCDCA以剂量依赖和病毒复制无关的方式显著下调感染SFTSV的THP-1细胞中IL-1β和IL-6的表达，而CDCA显著上调IL-1B和IL-6（5a-c）。对经GCDCA预处理或未经GCDCA处理的SFTSV感染的THP-1细胞进行了转录组分析，在GCDCA预处理、SFTSV1感染的κ-1细胞中，NF-THPVB信号通路中的几个基因显著下调，包括RELA和NFKB1（5d、e）。进一步证明，GCDCA预处理显著降低了细胞质和细胞核中p50亚基和p65亚基的磷酸化形式(p-p65)的水平，并以MyD88信号不依赖的方式特异性地降低了细胞核中的p65水平（5f）。为了确定GCDCA在SFTSV感染背景下用来传递抗炎反应的受体，用小干扰RNA抑制了TGR5和FXR，然后GCDCA治疗和SFTSV感染，在TGR5耗尽后，GCDCA处理的细胞与未处理的对照细胞相比，P50和p-P65蛋白水平的差异也消失(5h)。体内实验，阿克曼菌定植后，TGR5−/−小鼠的病死率没有恢复(5i、j)。图5 GCDCA通过TGR5抑制NF-κB介导的炎症反应信号

研究总结

研究者首先利用16s rRNA测序分析，证实SFTSV感染的存活患者粪便中AKK相对丰度显著高于死亡患者，且与患者血液中白细胞介素6（IL-6）等炎性因子呈负相关。基于小鼠感染模型，发现将AKK回补至Abx小鼠及无菌小鼠体内可显著降低死亡率、改善重要脏器的病理损伤及降低全身性炎性因子的表达。利用非靶相代谢组分析AKK相对丰度较高的存活患者血清及AKK单菌定植Abx小鼠血清，均发现患者及小鼠血清中胆汁酸相对丰度显著升高。后系统的分析了血清中含量升高的胆汁酸，发现牛磺酸共轭的TCDCA可显著降低SFTSV感染小鼠外周血淋巴细胞产生的炎性反应，缓解重要脏器病理损伤，显著提升Abx小鼠的存活率。进一步的研究证实，AKK代谢产物HAL能特异性上调肝细胞表达胆酰辅酶A：氨基乙酰转移酶（BAAT）调控SFTSV感染诱发的全身性炎性反应。此外，转录组学及相关体内外功能研究发现GCDCA的抑炎作用需靶向巨噬细胞核转录复合体（NF-kB）介导的炎性反应并依赖于细胞表面胆汁酸受体TGR5。

参考文献

Xie, Jinyan et al. “Akkermansia muciniphila protects mice against an emerging tick-borne viral pathogen.” Nature microbiology vol. 8,1 (2023): 91-106.