大量腸道菌群隊列研究表明腸道微生物與宿主的健康與疾病狀態(tài)存在潛在的因果關系，已有充分證據證實腸道共生菌能夠通過脫羥基化作用將初級膽汁酸轉化為次級膽汁酸DCA和LCA，但更多的次級代謝產物尚未被發(fā)現，而這些代謝物在疾病及健康狀態(tài)下的功能也有待研究。

2024年1月，微生物技術國家重點實驗室劉雙江教授團隊與合作單位團隊在Nature Microbiology上發(fā)表了題為“Gut commensal Christensenella minuta modulates host metabolism via acylated secondary bile acids”的研究論文，揭示C. minuta等腸道共生菌通過產生新型次級膽汁酸——3-O-酰基膽酸，從而靶向腸肝信號軸調控宿主糖脂代謝的新機制，并證明小克里斯滕森氏菌Christensenella minuta及�；�膽酸具有治療II型糖尿病等慢性代謝類疾病的應用潛力。（麥特繪譜提供Q300全定量代謝組檢測服務）

研究思路

DIO：高脂飲食誘導的肥胖模型；FXR：法尼醇X受體

研究結果

1. 新型次級膽汁酸的發(fā)現

首先，作者收集了7個公開的代謝性疾�。═2D、肥胖、NAFLD和CVD）腸道宏基因組數據集，通過與健康人群的數據進行比較，篩選出175個在代謝疾病隊列中豐度顯著下調的腸道菌群，其中88種占主導地位，且可培養(yǎng)。隨后利用這些腸道菌群對膽汁酸進行了基于培養(yǎng)的體外轉化實驗，并通過LC-MS分析表征了膽汁酸的轉化譜，結果發(fā)現了以C. minuta（Christensenella minuta）為代表的多個菌種代謝產生的4種新的膽酸衍生物，其m/z分別為449.3、463.3、477.3和491.3。

通過膽汁酸的特征二級碎片比對，發(fā)現這些膽汁酸衍生物分別含有乙酰、丙酰、丁酰和戊�；鶊F。核磁共振譜解析結果證實，上述衍生物為3-乙酰膽酸（Ac-CA）、3-丙酰膽酸（Prp-CA）、3-丁酰膽酸（Buty-CA）和3-戊酰膽酸（Val-CA）。以上結果表明， C. minuta可通過對膽汁酸的3′-羥基末端進行特異性�；�化修飾，從而得到一系列新的次級膽汁酸。

圖1. 腸道微生物介導的膽汁酸轉化為新型的3-O-�；�膽酸

2. C. minuta可減輕肥胖小鼠的代謝紊亂

為了評估C. minuta及3-O-�；�膽酸的生理功能，作者對高脂飲食誘導的肥胖（DIO）小鼠進行了C. minuta灌胃試驗。多項生理病理指標表明，C. minuta治療后的DIO小鼠病理性高血糖和脂代謝紊亂得到顯著緩解，肝內和結腸炎癥也有所降低。此外，盲腸內容物的16S rRNA測序證實C. minuta灌胃對DIO小鼠腸道菌群的α及β多樣性沒有顯著影響，而Prp-CA、Buty-CA、Val-CA和3-O-�；�膽酸總濃度在小鼠回腸中顯著增加。

以上結果表明，C. minuta產生的3-O-�；�膽酸水平與DIO小鼠的代謝特征改善之間存在正向關系。

圖2. C. minuta對DIO小鼠代謝的影響

3. 3-O-酰基膽酸是法尼醇X受體的拮抗劑

在檢測腸道中與膽汁酸相關的基因的表達時，作者發(fā)現C. minuta組中受法尼醇X受體（FXR）調控的Fgf15基因被顯著抑制，而代謝組分析卻顯示先前已知的FXR拮抗膽汁酸，如�；切苋パ跄懰岷团；�β鼠膽酸（TUDCA和TβMCA）均未顯著增加。因此推測由C. minuta生成的3-O-�；�膽酸可能是靶向FXR的信號分子，并通過雙熒光素酶報告實驗進行測試。結果表明，3-O-�；�膽酸抑制了CDCA誘導的FXR活化，且這種抑制作用存在劑量效應，具體而言：Ac-CA和Buty-CA測定的半數最大抑制濃度（IC50）分別為49.73和33.60μM。

圖3. 3-O-�；�膽酸的細胞培養(yǎng)基于生理功能的鑒定和基于小鼠的藥代動力學

4. C. minuta靶向調控FXR-腸肝信號軸

接下來作者進一步分析C. minuta灌胃是否會對腸道FXR-腸肝信號軸進行調控。在動物中存在兩個經典腸道FXR信號軸：調節(jié)膽汁酸和膽固醇的代謝FXR-FGF15-Cyp7a1通路、以及影響肝葡萄糖異生、脂肪變性、動脈粥樣硬化和胰島素抵抗的FXR-Smpd3-鞘氨醇軸。通過檢測相關的基因表達和代謝標志物水平，發(fā)現小鼠腸道中這兩條通路均受到C. minuta處理的改變，具體而言：

對于FXR-FGF15-Cyp7a1軸而言，檢測到回腸中Fgf15下調表達，肝組織中Cyp7a1的濃度顯著增加。總體而言C. minuta對FXR-FGF15-Cyp7a1軸的調節(jié)有助于總膽汁酸的增加，這一結果也解釋了C. minuta處理后小鼠血液和肝臟中總膽固醇降低以及次級膽汁酸增加等現象。

對于FXR-Smpd3-ceramide軸而言，C. minuta處理的DIO小鼠中，編碼鞘磷脂磷酸二酯酶3的Smpd3水平以及血漿和回腸內容中C16:0 ceramide的濃度顯著降低，顯示該信號通路被抑制，而這可能進一步抑制肝臟的糖異生，從而解釋C. minuta處理緩解DIO小鼠的高血糖和肝病變現象。

以上結果揭示了由C. minuta衍生出的“3-O-acylated CA-intestinal FXR”腸-肝信號軸，并推測了C. minuta在DIO小鼠中通過該信號軸的調控機制。

圖4. C. minuta對DIO小鼠FXR腸-肝信號通路的影響

5. C. minuta的療效依賴于腸上皮的FXR

為驗證C. minuta、3-O-酰基膽酸和腸道FXR信號之間確實存在聯系，作者通過構建腸道FXR特異性敲除的小鼠模型重復了高脂飲食（HFD）和C. minuta 灌胃試驗。結果表明，野生型對照小鼠在C. minuta的處理下并未出現因HFD而引起的肥胖、高血糖、血脂紊亂和肝損傷，而敲除小鼠的表型與對照小鼠相反，說明C. minuta并未產生相應的療效。此外，野生對照小鼠在經過C. minuta處理后，其腸-肝FXR信號通路發(fā)生了與上文DIO灌胃小鼠相同的變化。以上結果表明，肝-腸FXR信號通路確實是C. minuta對宿主代謝起到療效的關鍵靶點。

此外作者還探究了C. minuta對3-�；�化修飾是否具有底物特異性，通過不同膽汁酸（CA、CDCA、UDCA、DCA、LCA、GCA、TCA、TCDCA和GCDCA）的體外轉化實驗，發(fā)現除LCA和UDCA外，C. minuta對其余檢測的膽汁酸都顯示出酰化活性，但催化活性存在差異，比如對�；悄懰猁}（TCA和TCDCA）和DCA的催化活性較弱，而對甘氨酸膽酸鹽、CA和CDCA較強。

圖5. C. minuta對高脂飲食誘導的腸FXR敲除小鼠和野生對照小鼠的影響

6. 3-O-�；�膽酸在II型糖尿病人群中顯著降低

最后作者著眼于臨床轉化，探究3-O-�；�膽酸是否在人群中與代謝紊亂呈負相關。為此作者招募了46名志愿者，包括28名II型糖尿病患者和18名健康對照者，并收集其糞便樣本進行3-O-�；�膽酸檢測。結果表明，II型糖尿病隊列的糞便3-O-�；�膽酸含量顯著降低，平均濃度較健康隊列中的低1.4到3.7倍。表明在代謝紊亂的臨床隊列人群中，除了C. minuta等有益腸道共生菌群豐度降低外，酰化膽酸等具有代謝調控作用的功能化合物也顯著減少。

圖6. 4種3-O-酰基膽酸和12種常見膽汁酸在II型糖尿病隊列的分布和濃度

研究結論

本研究發(fā)現了一種以3-O�；�化為特征的新型次級膽汁酸，它是腸道FXR的天然拮抗劑，并解釋了以C. minuta為代表的腸道益生菌通過 “腸道微生物—3-O-酰基氨酸—腸道FXR”的腸-肝信號軸的調節(jié)改善主代謝的新機制。

總而言之，該研究展示了C. minuta和其產物3-O-�；�膽酸在治療包括T2D在內的代謝性疾病方面潛力，該結論在小鼠模型中得到了證實，并得到了人群隊列研究的支持，再次強調了腸道共生菌及其功能代謝產物在宿主代謝穩(wěn)態(tài)中的重要作用，為代謝性疾病的治療和預防提供了全新的思路。

參考文獻

Liu C, Du MX, Xie LS, et al. Gut commensal Christensenella minuta modulates host metabolism via acylated secondary bile acids. Nat Microbiol. 2024.

請掃描二維碼閱讀原文

繪譜幫你測

麥特繪譜為本論文實驗動物樣本提供Q300定量代謝組學分析。麥特繪譜開創(chuàng)性地搭建了醫(yī)學領域高端代謝組學技術平臺，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫(yī)學代謝組解決方案，同時全面布局微生物組學、轉錄組學和蛋白質組學等多組學技術服務，已成為全球多組學研究者的優(yōu)選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000，Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸、色氨酸及吲哚衍生物、多胺和TMAO類等各類小分子代謝物、非靶向代謝組學和同位素示蹤代謝流技術等共40+系列檢測方法；已為數百家三甲醫(yī)院、科研院所和企業(yè)提供多組學解決方案，協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章400+篇，累計影響因子4000+，平均IF＞10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級期刊。

 END