宏基因组，作为研究微生物的测序手段之一，凭借其价格相对较低、应用范围相对较广的特点深受微生物方向老师的青睐，那么如何利用宏基因组发表高分文章呢？近年来，多组学研究逐渐成为CNS级别期刊的热点，接下来小编带领大家一起学习这篇顶刊中的多组学研究思路。

2022年10月，北京大学基础医学院姜长涛团队联合国内外多名科研学者在Nature杂志上发表了题为“Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine”的研究论文。该文章利用宏基因组测序，结合脂质代谢、蛋白组学及一系列验证实验，揭示了人类肠道细菌-解木聚糖拟杆菌（Bacteroides xylanisolvens）对尼古丁的降解机制。这一发现提高了肠道微生物降解尼古丁的潜力，对预防和治疗非酒精性脂肪性肝炎（NASH）等吸烟相关疾病具有潜在应用价值。

文章简介
肠道细菌通过降解肠道尼古丁来缓解与吸烟相关的NASH(非酒精性脂肪肝炎）疾病

Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine

发表杂志：Nature

影响因子：69.504

发表时间：2022.10

背景   

作为人类最常见的不健康行为之一，世界卫生组织将吸烟列为世界上可预防的死亡主要原因，戒烟是延长预期寿命的最有效方法，但由于尼古丁具有强烈的成瘾特性和戒断症状，实现这一目标并不容易。因此，研究肠道尼古丁积累、肠源性代谢物和非酒精性脂肪肝病之间的关系可能会为烟草相关的肝病提供新的线索。

技术路线

研究结果

1. 肠道细菌降解回肠尼古丁

研究人员收集了来自30名吸烟者和30名非吸烟者的回肠末端粘膜活检、粪便和血清样本，利用代谢组学对吸烟人群及多种尼古丁暴露小鼠模型中的不同组织进行尼古丁含量测定，发现吸烟或尼古丁暴露时，尼古丁在肠道大量累积。通过三种给药方法(即烟雾暴露、口服和皮下注射)对小鼠进行尼古丁处理，无菌（GF）小鼠回肠及其内容物中的尼古丁浓度显著高于无特定病原体（SPF）小鼠，说明内源性肠道细菌有助于尼古丁的降解。对吸烟人群粪便样本的宏基因组学数据进行分析，发现解木聚糖拟杆菌（B. xylanisolvens）可能含有尼古丁分解代谢基因。通过对该菌全基因组测序并检测了其中负责尼古丁分解代谢的生物合成基因，发现肠道细菌解木聚糖拟杆菌可以通过NicX将肠道尼古丁降解为4-羟基-1-(3-吡啶)-1-丁酮（HPB）。

图1 肠道尼古丁积累和肠道细菌引起的肠道尼古丁降解的鉴定

2. 尼古丁降解延缓了NAFLD的进展

为了确定肠道尼古丁积累的作用以及解木聚糖拟杆菌降解在NAFLD进展中的影响，对SPF小鼠分别用PBS(对照)、解木聚糖拟杆菌、尼古丁水、解木聚糖拟杆菌加尼古丁水或敲除NicX的解木聚糖拟杆菌加尼古丁水进行高果糖高胆固醇饮食(HFHCD)处理。结果表明水中补充尼古丁加速了NAFLD的进展，这种加速伴随着更严重的肝脏脂肪变性、炎症和纤维化。尼古丁降解细菌的定植可以减缓尼古丁诱导的NASH，并且这种作用依赖于NicX的表达。

3. 尼古丁激活肠道AMPKα-SMPD3轴

通过蛋白组学、脂质组学等多组学联合以及基因敲除小鼠模型试验，发现肠道尼古丁积累显著激活肠上皮细胞AMPKα1信号，通过上调鞘磷脂磷酸二脂酶3（SMPD3）磷酸化水平，促进肠源神经酰胺分泌。

图2 在NAFLD进展中尼古丁诱导的肠道AMPKα-SMPD3轴的激活

进一步，研究人员确定了AMPKα1可以直接结合SMPD3并磷酸化S208（S209）位点，抑制K103位点泛素化，进而抑制SMPD3蛋白酶体降解途径，最终增加SMPD3活性。同时，肠道上皮AMPKα1的缺失有助于改善肝脏脂肪变性、炎症和纤维化。

尼古丁诱导的肠道AMPKα-SMPD3轴的激活通过增加肠道神经酰胺的产生来加快NAFLD进展，因此抑制SMPD3是缓解肝脏脂肪变性、炎症和纤维化的潜在策略。

图3 磷酸化的SMPD3由于减少了泛素化介导的降解而更稳定

4. 解木聚糖拟杆菌和临床NAFLD进展

研究人员又对83名活检证实的NAFLD患者的粪便样本进行了宏基因组、代谢组学测定及关联分析。结果表明，吸烟者粪便尼古丁水平与NAFLD-NASH进展呈正相关，而解木聚糖拟杆菌的丰度、尼古丁的降解产物HPB与NASH进展呈负相关。小鼠模型研究显示，解木聚糖拟杆菌能够降解肠道中尼古丁积累，并降低NAFLD的严重程度。

图4解木聚糖拟杆菌介导的尼古丁降解与临床NAFLD进展呈负相关

研究结论
①在吸烟人群和尼古丁给药小鼠模型中，肠道中均中有大量尼古丁积累；②肠道细菌解木聚糖拟杆菌（Bacteroides xylanisolvens）能有效降解尼古丁水平，通过尼古丁降解酶NicX生成一种新型尼古丁代谢产物HPB；③给暴露于尼古丁的小鼠定植Bx菌，可通过NicX介导的方式减少肠道尼古丁浓度，缓解尼古丁加剧的NASH进展；④尼古丁激活肠上皮AMPKα1，促进神经酰胺代谢酶SMPD3的磷酸化，抑制其蛋白降解，从而增加肠源性神经酰胺形成，促进NAFLD向NASH发展。

参考文献

Chen, B., Sun, L., Zeng, G. et al. Gut bacteria alleviate smoking-related NASH by degrading gut nicotine. Nature 610, 562–568 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05299-4