Cell | 肠菌代谢胆固醇影响心脏健康：肠道微生物组和代谢组研究最新结果

Cell | 肠菌代谢胆固醇影响心脏健康：肠道微生物组和代谢组研究最新结果

心血管疾病（CVD）是全球主要的健康威胁之一，而肠道微生物组与心血管健康之间的关系一直是研究热点。最近，美国哈佛/MIT Broad研究所的Ramnik J. Xavier教授团队在Cell杂志发表了一篇重要研究，揭示了肠道微生物组与胆固醇代谢之间的关联，为心血管疾病的预防和治疗提供了新的思路。

研究背景与方法

肠道微生物群-宿主相互作用在人类健康中起着关键作用。粪便微生物组成的改变，同时反映出肠道微生物组的变化，与许多心血管代谢疾病（CVD）相关，如糖尿病、肥胖、非酒精性脂肪性肝病和CVD有关。越来越多的研究表明，CVD与肠道微生物组的改变密切相关，然而多组学数据与生物标志物的缺乏阻碍了研究者们对潜在机制的理解。

2024年4月，美国哈佛/MIT Broad研究所的Ramnik J. Xavier教授团队在Cell杂志发表题为“Gut microbiome and metabolome profiling in Framingham heart study reveals cholesterol-metabolizing bacteria”的研究文章，该研究收集了弗雷明汉心脏研究（Framingham，FHS）参与者（1429例）肠道微生物组和代谢组进行分析来研究微生物、代谢产物和心血管疾病标志物之间的关联。分析结果显示，整体代谢组与宏基因组物种泛基因组（MSP）谱显著相关。与微生物组ɑ-多样性具有最强关联的主要代谢物类别为脂肪酸酰基、类固醇和衍生物、甘油脂质和烯醇脂质。

研究团队采用以下方法进行研究：

1. 收集了1,429名FHS参与者的粪便样本，进行宏基因组学和非靶向代谢组学的分析。
2. 使用主坐标分析(PCoA)和Kruskal-Wallis检验等统计方法来分析微生物群落结构和代谢物丰度。
3. 利用分子网络和蛋白质网络模型来搜索Oscillibacter菌属中可能参与胆固醇代谢途径的基因。
4. 对Oscillibacter属的不同人类肠道分离株进行了体外特性化，包括胆固醇的摄取和生物转化。

研究发现

队列人群肠道微生物组和代谢组的表征

本研究通过鸟枪测序法(shotgun)获取了FHS参与粪便样本的宏基因组数据，鉴定出超过300万个非冗余基因，构建了687个宏基因组物种泛基因组（MSP）。对微生物组谱的分析表明，具有高ɑ-多样性的Alistipes和Oscillospira菌属富集的受试者显示出较低的血浆甘油三酯和葡萄糖以及较高的血浆高密度脂蛋白（HDL）水平。且在其他种族不同的队列中也观察到上述趋势，表明肠道微生物组在心血管健康中起着重要作用。

通过LC-MS分析平台进行非靶向代谢组学研究，检测899个匹配的粪便样本，结果显示整体代谢谱特征与微生物MSP谱密切相关。与微生物组ɑ-多样性最强关联的主要代谢物包括脂肪酰类、类固醇及其衍生物、甘油脂类和类萜脂类。

血液指标与肠道微生物及脂质之间的关系

研究团队使用广义线性模型，确定了对个体MSP谱和血液指标之间的显著关联。结果显示，FHS参与者的肠道微生物组与血液甘油三酯、HbA1c、胆固醇、肝酶 ALT 和收缩压显著相关，并确定了129对个体MSP和血液指标之间的显著关联。

与多种心血管疾病风险因素相关的微生物种群包括F. plautii（msp_130）和C. bolteae。这两个微生物种群与血浆甘油三酯和葡萄糖水平升高相关，而F. plautii还与血浆胆固醇水平升高相关。一种罕见微生物——Oscillibacter的丰度与血浆甘油三酯水平降低相关。研究还发现了炎症标志物CRP（C反应蛋白）的血清浓度与Parabacteroides merdae之间的正相关，检测到Alistipes obesi与血浆胆固醇和甘油三酯之间的负相关。

肠道微生物与代谢产物相关性的综合分析表征

根据分子网络的原理定义了2,368个LC-MS峰的共同丰度簇。共有1,375个簇在调整年龄、性别、BMI和药物后至少含有一个与心血管健康相关的峰。与粪便代谢物相关性最高的血液测量包括血浆高密度脂蛋白（3,005个）、血浆甘油三酯（1,706个）、血浆胆固醇（467个）和血清CRP（1,672个）。利用来自HMDB的预测代谢物功能，观察到与类萜脂和脂肪酰类相关的峰数量最多（与高密度脂蛋白和CRP相关），而血浆甘油三酯与类固醇及其衍生物的关联明显偏高，突显了这一类对宿主脂质稳态的重要性。此外，相关性分析确定了与粪便中的微初级胆汁酸相关的个体代谢物，与已报道的健康参数或饮食模式相关。

MSP代谢物关联的综合分析表征

本研究对心血管中肠道微生物和粪便代谢物之间的显著关联进行了特征描述，观察到两个已知代谢物簇（Oscillibacter簇和R.gnavus簇）与大于5个MSP 相关。Oscillibacter簇与二羧酸、异alloLCA和粪甾醇呈正相关，而R.gnavus簇与多不饱和脂肪酸（PUFA）、酰基肉碱、N-酰基乙醇胺（NEA）、色胺、初级胆汁酸、胆固醇、植物甾醇和神经甾醇呈正相关。为挖掘MSPs与未知的LCMS峰之间的关联，发现了13,398对正相关和2,626对负相关的强相关性Firmicutes msp_120（与血浆胆固醇呈最强正相关）与一个未知峰（QI16816）呈正相关，大致匹配为甘油磷酰胆碱。此外，利用MS/MS数据，研究预测了与Bifidobacterium adolescentis相关的峰QI29637是胆酸衍生物，与其他预测的胆酸具有相似性。对这些峰的MSPs进行进一步表征，可能会揭示与心血管疾病相关的肠道微生物代谢反应。

确定与胆固醇及其代谢物密切相关的细菌Oscillibacter及代谢途径

为探究与胆固醇结合的Oscillibacter蛋白质，本研究分析了Oscillibacter MSPs和分离株的基因组。通过深度学习模型（PROSE）方法，筛选Oscillibacter分离株基因组中与人类和微生物胆固醇途径中候选蛋白质中的功能类似蛋白，发现了在结构上类似于胆固醇-a-葡萄糖基转移酶（CgT）、IsmA 和易位蛋白（TSPO）的相关蛋白。

此外，研究者进一步通过AlphaFold2.66生成预测相关蛋白结构，结果显示Oscillibacter MSPs中的同源物具有高度保守性，高度证实了Oscillibacter属通过多个基因进行胆固醇代谢的潜在能力。

本研究对Oscillibacter属的三种细菌株进行了分离培养物并结合非靶向代谢组分析，以检验Oscillibacter代谢胆固醇能力。结果显示，来自Oscillibacter沉淀物的预测类固醇类总体上有所增加，与短双歧杆菌相比，当将胆固醇添加到培养基中时，其增加趋势更为显著，证明Oscillibacter 属在对胆固醇的反应中类固醇代谢组学谱发生了变化。

后续进一步在培养液中添加了13C标记的胆固醇，结果显示胆固醇、胆固醇酮和胆固醇α-D-葡萄糖苷均带有13C标记，进一步证明上述类固醇物质是Oscillibacter属代谢胆固醇的产物，Oscillibacter具有代谢胆固醇能力，支持了之前的关联分析和基因组学研究结果。

研究展望

本研究发现Oscillibacter属细菌与胆固醇代谢之间的关联，确立Oscillibacter属细菌表达IsmA和CgT同源基因，揭示肠道微生物组在调节宿主脂质稳态和心血管健康中的潜在作用。未来将深入探究这些细菌的代谢机制，验证其在心血管疾病中的作用并开发新的治疗策略。此外，研究还计划进行长期随访和跨队列研究，以进一步理解肠道微生物组与宿主健康之间的复杂相互作用。

参考文献

Gut microbiome and metabolome profiling in Framingham heart study reveals cholesterol-metabolizing bacteria. Cell. 2024