粪便常规自动分析怎么取样？里程碑，今日Nature拒绝依赖粪便

05月11日的《热心肠日报》，我们解读了 10 篇文献，关注：采样工具，肠道多组学研究，益生菌，热量限制，菌群代谢物，塑料降解，小檗碱，生信，代谢图谱。

Nature——[69.504]

① 开发一种可吞咽设备，能在正常消化过程中从人的特定肠道区域采样；② 收集15个健康人不同肠段的240个肠道样本，多组学分析表明，肠道中的细菌、噬菌体、宿主蛋白和代谢物与粪便的有显著差异；③ 相较于粪便，肠道样本中的菌群多样性较低，特定微生物被差异性富集（优势菌），且原噬菌体诱导更为普遍；④ 宿主蛋白组和胆汁酸谱沿肠道变化，且与粪便很不同；⑤ 分析胆汁酸浓度梯度与肠菌丰度间的关联，表明特定肠菌通过去结合作用改变胆汁酸池；⑥ 肠菌介导生成的结合型胆汁酸的浓度变化模式呈现氨基酸特异性。

【主编评语】

目前对于肠道的微生物组、蛋白质组和代谢组的研究，基本依赖于分析粪便样本。然而，粪便样本不能反映肠道不同区域的内容物差异，人们对于肠道中的微生物分布、其所处内环境和生化活动仍所知有限。Nature最新发表的重磅研究，开发了可在正常生理状态下从受试者的特定肠段取样的可吞咽胶囊设备，并通过多组学分析鉴定出菌群结构、噬菌体诱导、抗生素抗性基因和胆汁酸谱等沿肠道变化的情况，揭示了肠道样本与粪便样本间存在的显著差异，为进一步研究肠道微生物组和代谢组在人类生理和疾病中的作用提供了有力工具。（@mildbreeze）

【原文信息】

Profiling the human intestinal environment under physiological conditions

2023-05-10, doi: 10.1038/s41586-023-05989-7

Nature Metabolism——[19.865]

① 用可吞咽采样装置收集15个健康人的274个上肠道样本，结合60个粪便样本，进行质谱和菌群分析；② 鉴定出1909种代谢物（包括sulfonolipids和FAHFA等脂类），粪便与肠道的代谢组差异很大；③ 鉴定出一些食物代谢物与饮食生物标志物的关系，发现二羧酸浓度沿肠道升高，肠腔内的特定酮酸与水果摄入相关；④ 个体间差异主要来自食物和肠菌相关代谢物；⑤ 取样前6个月内使用抗生素的人中，特定的肠菌相关代谢物耗竭；⑥ Blautia物种或参与了FAHFA代谢。

【主编评语】

与今日Nature同时发表的一项Nature Metabolism研究，采用相同的无创取样装置，从15名健康人的上肠道（小肠 升结肠）由近端至远端的4个位置收集不同时间点的日常消化过程中的肠腔内容物样本，通过质谱和16S rRNA测序分析了代谢组和肠道菌群，鉴定出肠道内的上千个的生物分子，包括许多未知的代谢物，强调了肠道和粪便代谢组之间的差异，并揭示了饮食、宿主和微生物代谢之间的联系。（@mildbreeze）

【原文信息】

Human metabolome variation along the upper intestinal tract

2023-05-10, doi: 10.1038/s42255-023-00777-z

Nature Communications——[17.694]

① 以副干酪乳酪杆菌为研究对象，通过基因组学、转录组学、蛋白组学等多组学和高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术，评估6-******腺嘌呤（6mA）******化修饰在副干酪乳酪杆菌中的作用；② 6mA******化修饰位点的分布在28个菌株基因组中各不相同；③ 在群体水平上，副干酪乳酪杆菌******化位点的分布偏向于碳水化合物代谢基因；④ ******化基因pglX缺失突变株在6mA修饰方面有缺陷，显示出转录组的改变，但在生长和基因组空间组织结构方面变化微小。

【主编评语】

多项研究已经报道，在细菌中DNA******化是一种普遍的表观遗传机制，其中6-******腺嘌呤（6mA）是最普遍的一种，在调节基因表达和形成致病菌的宿主细胞方面起作用，但其在副干酪乳酪杆菌中的生理功能却鲜为人知。近日，内蒙古农业大学张和平及团队在Nature Communications发表最新研究，通过多组学和高通量染色体构象捕获（Hi-C）技术，揭示了副干酪乳酪杆菌表观遗传修饰的分子和功能作用，极大地促进了益生菌领域的最新前沿研究，值得关注。（@九卿臣）

【原文信息】

Roles of adenine methylation in the physiology of Lacticaseibacillus paracasei

2023-05-06, doi: 10.1038/s41467-023-38291-1

Genome Biology——[17.906]

① 短期热量限制（CR）改变肠道菌群的组成，增加菌群多样性和胆汁酸代谢，改善能量消耗；② CR重新编程参与胆汁酸代谢的基因等肝脏转录网络，调节肝脏胆汁酸代谢，重塑肝脏的染色质可及性与增强子图谱；③ CR影响HNF4α等富含信号应答转录因子结合位点在肝脏的分布；④ 移植CR肠道菌群到高脂饮食的小鼠，再现CR相关的胆汁酸代谢特征，减轻脂肪肝并缓解代谢综合征；⑤ CR诱导的菌群塑造肝脏表观基因组，通过HNF4α调控胆汁酸代谢的基因表达。

【主编评语】

已知热量限制（CR）通过重新调节代谢来促进宿主健康，但对于表观基因组和微生物组在宿主代谢适应CR过程中如何作用知之甚少。南京医科大学陆春城教授、秦玉峰教授及团队在Genome Biology发表最新文章，研究了CR小鼠模型中的染色质修饰、基因表达以及肠道菌群的改变，结果表明CR诱导的肠道菌群塑造了肝脏表观基因组，随后改变了负责胆汁酸代谢的相关基因表达，提出肠道菌群可以重塑表观基因组以微调宿主代谢适应性的观点。（@RZN）

【原文信息】

Caloric restriction remodels the hepatic chromatin landscape and bile acid metabolism by modulating the gut microbiota

2023-04-30, doi: 10.1186/s13059-023-02938-5

Microbiome——[16.837]

① 利用宏基因组和16S测序评估7个猪品种的肠道菌群景观，发现中国本土江香猪（CM）与商用杜洛克（DLY）猪肠道菌群存在明显差异；② 相比DLY猪，CM猪肠上皮屏障功能更强，将两种猪的粪便微生物群移植至无菌（GF）小鼠，可转移肠上皮屏障的特征；③ 比较受体GF小鼠的肠道菌群，鉴定并证实脆弱拟杆菌是一种有助于肠上皮屏障的物种，可衍生3-******丙酸；④ 机制上，脆弱拟杆菌衍生的3-******丙酸通过激活芳烃受体（AhR）信号传导促进肠上皮屏障。

【主编评语】

肠上皮屏障可保护肠道免受病原体入侵、食物抗原和毒素的侵害。越来越多的研究将肠道菌群与肠上皮屏障功能联系起来。因此，挖掘促进肠上皮屏障功能的肠道菌群是迫切需要的。近日，华中农业大学晏向华及团队在Microbiome发表最新研究，利用宏基因组和16S测序评估7个猪品种的肠道菌群景观，通过粪菌移植发现中国本土江香猪肠菌中脆弱拟杆菌衍生的3-******丙酸通过激活芳烃受体（AhR）信号传导促进肠上皮屏障，值得关注。（@九卿臣）

【原文信息】

Gut microbiota-derived 3-phenylpropionic acid promotes intestinal epithelial barrier function via AhR signaling

2023-05-08, doi: 10.1186/s40168-023-01551-9

Microbiome——[16.837]

① 在温度25±1℃，湿度75±5%条件下，用聚苯乙烯（PS）或玉米秸秆（CS）饲喂黄粉虫幼虫30天，发现PS摄取量低于CS，但对幼虫成活率无不良影响；② PS和CS喂养的幼虫肠菌结构、代谢途径和酶谱（单加氧酶、超氧化物酶等）表现出相似的反应，幼虫肠菌中沙雷氏菌属、葡萄球菌属等与PS和CS饮食有关；③ 宏转录组学发现异生素、芳香族化合物和脂肪酸降解途径在两组间富集；④ 两组上调的lac640基因均在大肠杆菌中过表达，表现出降解PS和木质素的能力。

【主编评语】

多项研究发现一些昆虫可以降解天然和合成的塑料聚合物，肠道菌群在这一过程中起至关重要的作用。然而，在了解昆虫如何从天然饲料中适应聚苯乙烯（PS）饮食方面仍然存在科学空白。近日，兰州大学李祥锴、韩华雯及团队在Microbiome发表最新研究，用PS或玉米秸秆（CS）饲喂黄粉虫幼虫30天，发现PS摄取量低于CS，但对幼虫成活率无不良影响，这一现象与黄粉虫肠道菌群可有效降解PS和木质素能力有关。总之，本研究促进了对PS与天然聚合物CS共降解机理的认识，为从木质素相关环境中挖掘新型塑料降解酶奠定了基础，值得关注。（@九卿臣）

【原文信息】

Gut microbiome of mealworms (Tenebrio molitor Larvae) show similar responses to polystyrene and corn straw diets

2023-05-05, doi: 10.1186/s40168-023-01550-w

Acta Pharmaceutica Sinica B——[14.903]

① 腺嘌呤饲养建立CKD大鼠模型，相比空白组，小檗碱（BBR）、丁酸钠与益生菌组大鼠血清肌酐和血尿素氮水平显著降低；② 切片显示BBR与丁酸钠组肾小球形态得以保持，益生菌组存在轻微损伤；③ 体内培养中，BBR、丁酸钠和益生菌组均显著降低肠菌对酪氨酸和色氨酸利用，体外培养中，BBR以剂量依赖方式显著抑制对甲酚和4-羟基*********产生；④ 相比空白组，BBR组丁酸产生菌丰度和粪便丁酸含量显著上升，酪氨酸对甲酚途径关键酶TyrB基因丰度显著降低。

【主编评语】

小檗碱（BBR）作为黄连主要活性成分之一，目前临床用于治疗肠道感染，通过改变肠菌组成和肠菌代谢物浓度发挥其药用价值。近日，中国医学科学院王琰、北京协和医学院蒋建东及团队在Acta Pharmaceutica Sinica B发表最新研究，通过构建慢性肾病大鼠模型，发现BBR通过改变肠菌组成，降低对甲酚产生菌丰度并抑制肠菌的酪氨酸-对甲酚途径，增加丁酸产生菌丰度和粪便中丁酸含量，降低肠道来源的尿毒素，进而显著改善CKD。总之，该研究表明小檗碱可能是一种通过介导肠-肾轴改善慢性肾脏病具有显著潜力的治疗药物。（@九卿臣）

【原文信息】

Berberine ameliorates chronic kidney disease through inhibiting the production of gut-derived uremic toxins in the gut microbiota

2022-12-20, doi: 10.1016/j.apsb.2022.12.010

Gut Microbes——[9.434]

① 纳入69项研究含83个队列，共5984个病例和3724个对照，涉及20种常见疾病，通过肠菌种或属级分类学相对丰度构建机器学习分类器，对每种疾病预测验证；② 除肠道疾病外，所有单队列分类器在交叉队列验证中均未能准确预测疾病，平均AUC为0.64；③ 相比16S扩增子数据，有更高分类分辨率的mNGS数据可显著提高外部验证性能，但仅限于肠道疾病；④ 使用更多的样本作为训练数据，可显著提高所得分类器在外部验证中的预测性能（尤其是非肠道疾病）。

【主编评语】

肠道菌群被逐渐用作非侵入性疾病预筛查的生物标志物和疾病干预的目标。然而，由于肠道菌群会受到多种因素影响，因此关于不同队列中肠道菌群失调的可重复性仍存在争议。近日，复旦大学赵兴明、华中科技大学陈卫华及团队在Gut Microbes发表最新研究，系统地评估了基于肠道菌群的机器学习分类器对20种疾病的跨队列分类性能，发现可以使用肠道菌群作为独立的、跨队列的诊断工具，但仅用于少数肠道疾病。（@九卿臣）

【原文信息】

Performance of Gut Microbiome as an Independent Diagnostic Tool for 20 Diseases: Cross-Cohort Validation of Machine-Learning Classifiers

2023-05-04, doi: 10.1080/19490976.2023.2205386

Briefings in Bioinformatics——[13.994]

① 利用4种测序技术（mNGS、PacBio、Nanopore和metaHiC），在三个数据集上评估基因组解析宏基因组学的计算工具和测序平台（共40种组合），根据多个性能确定组装和分箱最佳工具；② 混合组装和基于metaHiC分箱组合的性能表现最好，其次是混合和长读长组装；③ 长读长和metaHiC测序可将更多可移动元件和抗性基因与细菌宿主相关联，提高公共人类肠道参考基因组的质量，其中32%的高质量MAGs质量优于统一人类胃肠道基因组目录（UHGG）2版或新版。

【主编评语】

恢复高质量宏基因组组装基因组对于探索微生物组成和微生物表型关联至关重要。但目前用于此目的的多种测序平台和计算工具可能会使研究人员感到困惑，因此需要进行广泛的评估。近日，复旦大学赵兴明、华中科技大学陈卫华及团队在Briefings in Bioinformatics发表最新综述，利用4种测序技术（mNGS、PacBio、Nanopore和metaHiC），在三个数据集上评估多种用于基因组解析宏基因组学的计算工具和测序平台，通过多个性能进而确定组装和分箱最佳工具，发现混合组装和基于metaHiC分箱组合的性能表现最好，其次是混合和长读长组装。（@九卿臣）

【原文信息】

A survey on computational strategies for genome-resolved gut metagenomics

2023-04-27, doi: 10.1093/bib/bbad162

Nature Microbiology——[30.964]

① 设计自动化实验平台和人工智能相结合的BacterAI，将实验分为数据收集和解释数据阶段；② BacterAI通过自动化实验平台对给定20种氨基酸浓度的培养基进行生长测试获取数据；③ 基于数据，BacterAI通过从最小可生长组分出发添加、或者从20种全氨基酸培养基出发剔除两种策略预测2^20种氨基酸组合下细菌生长；④ 基于BacterAI获得口腔细菌戈登链球菌和血链球菌的氨基酸需求；⑤ 迁移学习可使BacterAI快速应用于物种、环境、培养基组分变化的新条件。

【主编评语】

这是发表在Nature Microbiology上的一份工作，作者基于自动化实验平台和人工智能设计了一套可快速从零获取微生物代谢需求的实验平台BacterAI。BacterAI可完成每天336次的实验需求（每个实验3次重复，实验内包含50次液体操作），基于快速自动化的实验操作和数据收集，BacterAI可快速获取一批基线生长数据，通过该数据结合人工智能预测20种氨基酸随机组合下的微生物生长情况并通过实验验证，可在7天左右快速获得微生物的氨基酸代谢需求。结合迁移学习，BacterAI可实现新物种、新环境（有氧到厌氧）、新培养基组分的数据获取及预测，并缩短实验周期。（@Johnson）

【原文信息】

BacterAI maps microbial metabolism without prior knowledge

2023-05-04, doi: 10.1038/s41564-023-01376-0

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，九卿臣，阿当，拍了花宝贝

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