圖1

從富集分析結(jié)果來看，糖、多肽、氨基酸（如L-絲氨酸）和核苷酸（如腺苷）類的營養(yǎng)物質(zhì)能夠使二甲雙胍對(duì)細(xì)菌生長產(chǎn)生影響（圖1E、1F）。
 

圖1
 

為了更好地理解四路篩選中代謝物及通路信號(hào)途徑與宿主生理調(diào)節(jié)之間的機(jī)制聯(lián)系，作者對(duì)使用和不使用二甲雙胍的大腸桿菌進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析(圖2A)。二甲雙胍的治療效果與特定的KEGG途徑顯著相關(guān)，如上調(diào)三羧酸（TCA）循環(huán)、下調(diào)糖酵解以及通過精氨酸N-琥珀酰轉(zhuǎn)移酶（AST）途徑降解精氨酸(圖2B)。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，作者還研究了11種細(xì)菌轉(zhuǎn)錄因子（TFs）在二甲雙胍中對(duì)細(xì)菌生長、宿主代謝以及壽命起到的作用。細(xì)菌TFs的缺失并不意味著對(duì)二甲雙胍產(chǎn)生了耐藥性(圖2C)。在分析這些細(xì)菌TFs對(duì)宿主代謝和壽命的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)菌Crp（C反應(yīng)蛋白）和ArgR的缺失顯著降低了蠕蟲Pacs-2::GFP的上調(diào)（圖2D）。由此得出細(xì)菌Crp和ArgR分別是二甲雙胍延長宿主壽命所必需的全部和部分物質(zhì)(圖2E、圖2F)。
 

圖2
 

2.利用代謝組學(xué)方法研究二甲雙胍對(duì)宿主代謝和壽命的影響
Crp調(diào)節(jié)著細(xì)菌的各種代謝過程。為了了解大腸桿菌中與宿主壽命相關(guān)的Crp的代謝變化，利用代謝組學(xué)方法來觀察代謝產(chǎn)物水平發(fā)生的變化。分析顯示經(jīng)二甲雙胍處理的大腸桿菌OP50和∆crp的代謝譜之間存在顯著差異。為了檢測(cè)細(xì)菌代謝產(chǎn)物在調(diào)節(jié)宿主生理上的重要性，構(gòu)建了大腸桿菌突變體。在這些基因缺失株中，只有一個(gè)突變了speB基因的株能分解胍丁胺，使宿主Pacs-2::GFP表達(dá)顯著增加。

代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，因此，將研究重點(diǎn)放在精氨酸分解代謝上，單或雙倍突變株能夠積累胍丁胺，誘導(dǎo)宿主Pacs-2::GFP表達(dá)。四倍突變株，則不會(huì)積累胍丁胺，無法上調(diào)Pacs-2::GFP的表達(dá)，這意味著是胍丁胺而不是精氨酸起到了調(diào)節(jié)宿主代謝的作用（圖3A）。通過外源性補(bǔ)充進(jìn)一步研究胍丁胺的作用，胍丁胺延緩了蠕蟲的發(fā)育和生殖輸出，上調(diào)了Pacs-2::GFP的表達(dá)（圖3B），并延長了壽命（圖3C）。之后作者使用大腸桿菌OP50的代謝模型來確定營養(yǎng)的補(bǔ)充對(duì)胍丁胺產(chǎn)生的影響。代謝模型的結(jié)果顯示糖不會(huì)使細(xì)菌胍丁胺的量增加，而核苷酸、氨基酸和多肽會(huì)增加細(xì)菌胍丁胺的生產(chǎn)能力。這與從四路篩選中得到的數(shù)據(jù)一致。
 

圖3

3.服用二甲雙胍治療的患者，胍丁胺的生成能力增強(qiáng)
為了確定細(xì)菌胍丁胺的產(chǎn)生與人類二甲雙胍治療之間是否存在聯(lián)系，作者調(diào)查了二甲雙胍治療的2型糖尿病患者的微生物群中是否有胍丁胺的增加。在1258名人類參與者組成的隊(duì)列中，二甲雙胍治療的2型糖尿病患者（n=76；圖4）的胍丁胺生產(chǎn)能力顯著高于未治療的2型糖尿病患者（n=57）、健康肥胖對(duì)照組（n=492）、健康對(duì)照組（n=633）。未經(jīng)治療的2型糖尿病患者與健康肥胖對(duì)照組相比，胍丁胺生產(chǎn)能力沒有差異，與健康對(duì)照組相比僅略有增加。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，瑞典和丹麥隊(duì)列觀察到類似的結(jié)果。研究人員還觀察到，在隊(duì)列中添加富氮化合物后，人類腸道微生物群落的胍丁胺生產(chǎn)能力增強(qiáng)。即使在控制體重和年齡等這些外在因素之后，胍丁胺的產(chǎn)生與二甲雙胍的治療狀態(tài)任然呈現(xiàn)密切相關(guān)。
 

圖4

4.細(xì)菌介導(dǎo)宿主脂肪酸氧化能夠延長宿主壽命
作者對(duì)秀麗隱桿線蟲宿主進(jìn)行了多組學(xué)分析。利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示誘導(dǎo)二甲雙胍的長壽表型的基因中，富集最明顯的是過氧化物酶和脂肪酸代謝通路。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能夠上調(diào)脂質(zhì)代謝相關(guān)基因（圖5A），特異性降低脂滴的大小和豐度（圖5B），同時(shí)能夠增加大腸桿菌OP50上飼養(yǎng)的蠕蟲的過氧化物酶的豐富度（圖5C）。值得注意的是，這種效應(yīng)在生長在∆crp細(xì)菌上的蠕蟲中沒有發(fā)現(xiàn)。

由此作者對(duì)游離脂肪酸和結(jié)合脂肪酸分析后，發(fā)現(xiàn)二甲雙胍顯著改變了24種脂肪酸中的16種（圖5D）。這些觀察結(jié)果與細(xì)菌Crp介導(dǎo)二甲雙胍對(duì)宿主脂質(zhì)代謝影響的關(guān)鍵作用一致。
 

圖5

百趣代謝組學(xué)分享—總結(jié)
作者利用四路篩選方法結(jié)合微生物群落建模，捕獲二甲雙胍誘導(dǎo)的微生物的功能特征，這些特征無論是在蠕蟲上還是人類上都是保守的，并為今后研究復(fù)雜的宿主-微生物-藥物-營養(yǎng)物相互作用提供了實(shí)驗(yàn)策略。了解了營養(yǎng)環(huán)境如何通過微生物群調(diào)節(jié)藥物作用，并通過代謝模型找到潛在的代謝途徑會(huì)有助于給患者或有需要的人提供飲食指南，以得到最大的治療效果和減少胃腸道副作用。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，通過藥物相互作用協(xié)調(diào)細(xì)菌的代謝可能會(huì)為改善宿主健康和壽命的個(gè)性化藥物提供一條有前途的研發(fā)道路。