2024-05-30
近年來(lai)，隨著科(ke)技(ji)的(de)飛速發(fa)展和(he)創新，研究水平不斷深入并取得了一系(xi)列重大(da)突破，單一組(zu)學(xue)發(fa)高分文章愈發(fa)困難（除(chu)非是創新視角+大(da)樣本(ben)量(liang)+大(da)數據(ju)機器學(xue)習+好的(de)結果尚有可能發(fa)到IF 10+水平），而多(duo)組(zu)學(xue)之(zhi)間可以不同維(wei)度(du)的(de)相互補充、深度(du)融合、更系(xi)統和(he)全面地闡釋科(ke)學(xue)問題，頻頻出現在CNS等(deng)(deng)各大(da)頂級類期刊上(shang)。多(duo)組(zu)學(xue)，顧名思(si)義，是指多(duo)種組(zu)學(xue)技(ji)術聯合研究共同表征復雜的(de)生理調控分子(zi)機制，包(bao)括基因組(zu)、轉錄組(zu)、微(wei)生物組(zu)、蛋白組(zu)、代謝(xie)組(zu)等(deng)(deng)。 其中(zhong)(zhong)微(wei)生物組(zu)測序與代謝組(zu)的聯合(he)研(yan)究在(zai)過去的幾(ji)年(nian)里(li)脫穎而出，“拿下(xia)”了各(ge)個(ge)研(yan)究領域的科研(yan)工作者，也有力促進(jin)了多(duo)學(xue)科的交(jiao)叉融合(he)，可謂是“上大分的明星組(zu)合(he)”。通過在(zai)PubMed網站以“microbiome and metabolome”為關鍵詞進(jin)行搜(sou)索發現，近10年(nian)來(lai)的發文量呈逐年(nian)攀升趨(qu)勢；此外，歷年(nian)國自然中(zhong)(zhong)標項目中(zhong)(zhong)“菌群-代謝相關研(yan)究”也一直是TOP級熱點。（文末有超實(shi)用策略分享(xiang)） 圖1. 在(zai)PubMed網站以(yi)“microbiome and metabolome”為關(guan)鍵詞的發文(wen)量檢索結果（截至2024年5月10日(ri)） 圖(tu)2. 在LetPub網站以“菌群+代謝物”為關鍵詞的搜索結果 在如此熱度的加持下(xia)，不(bu)可否(fou)認的是(shi)這個(ge)組(zu)合給(gei)許多研(yan)(yan)究領(ling)域帶來了重(zhong)要突破(po)，如醫學領(ling)域研(yan)(yan)究腸道菌(jun)群代謝(xie)物(wu)(wu)(wu)與(yu)(yu)疾病作用(yong)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)/治療靶點(dian)、藥(yao)物(wu)(wu)(wu)作用(yong)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)與(yu)(yu)靶點(dian)，農(nong)業(ye)領(ling)域植物(wu)(wu)(wu)/土壤微生物(wu)(wu)(wu)與(yu)(yu)代謝(xie)物(wu)(wu)(wu)的組(zu)成(cheng)及其(qi)相互作用(yong)影響復雜的生物(wu)(wu)(wu)過程和(he)植物(wu)(wu)(wu)對環境的適應能力(li)，環境污(wu)染/各種外因如何通過菌(jun)群和(he)代謝(xie)影響機(ji)(ji)體生理(li)變化(hua)等(deng)等(deng)。當然，熱度快速上漲之后總有(you)平緩階(jie)段(duan)，也(ye)可以(yi)說是(shi)“回歸理(li)性”。或許有(you)些人認為目前(qian)菌(jun)群代謝(xie)研(yan)(yan)究似有(you)“疲(pi)感”，但高(gao)分研(yan)(yan)究仍層出不(bu)窮，這或許正是(shi)沉下(xia)心來深挖(wa)機(ji)(ji)制(zhi)(zhi)的良好時機(ji)(ji)。
菌群代謝聯合研究思路
過去的(de)十余年里，菌群(qun)代謝聯合已廣(guang)泛(fan)應用于(yu)眾(zhong)多研究領域(yu)，如臨床疾病、藥理藥效、營養健(jian)康、農(nong)業(ye)育種(zhong)、環境暴露、食品風(feng)味、畜牧水產等(deng)。本文(wen)選取其中三(san)個(ge)研究方向的(de)最新(xin)代表文(wen)章進行詳(xiang)細的(de)思(si)路解(jie)析，希(xi)望給您的(de)科研提(ti)供實用性(xing)且有價(jia)值的(de)參考。 1.疾病研究(jiu)領域 近(jin)日，Cell期(qi)刊發表(biao)“微生(sheng)物組-代謝(xie)(xie)(xie)組-心血管(guan)代謝(xie)(xie)(xie)”相(xiang)關研(yan)究(jiu)文(wen)(wen)章(zhang)，前期(qi)研(yan)究(jiu)最多的(de)(de)(de)(de)與心血管(guan)疾病(bing)（CVD）相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)微生(sheng)物代謝(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)徑是(shi)三(san)甲胺(TMA)途(tu)(tu)徑，而(er)本(ben)研(yan)究(jiu)通(tong)過非靶向代謝(xie)(xie)(xie)組學鎖(suo)定到(dao)新的(de)(de)(de)(de)代謝(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)徑，并提到(dao)在腸菌-血脂水平關聯中(zhong)尚有(you)大量未表(biao)征的(de)(de)(de)(de)代謝(xie)(xie)(xie)物待挖(wa)掘。這篇文(wen)(wen)章(zhang)研(yan)究(jiu)思路之(zhi)清晰，對課題(ti)的(de)(de)(de)(de)設計(ji)、國自然標書的(de)(de)(de)(de)撰寫(xie)具(ju)有(you)十足的(de)(de)(de)(de)借鑒學習價值！ 圖3. //doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.014 研究主(zhu)題(ti)：千余例(li)大隊列揭(jie)示(shi)代(dai)謝膽固(gu)醇的腸道細菌(jun)有(you)益(yi)于(yu)心血管健(jian)康 發(fa)表(biao)期刊：Cell，IF=64.5 相關(guan)技術(shu)：宏基因組測序(xu)，非靶向代謝組學(xue)等 研究思路： 1）從臨床(chuang)大隊(dui)列切入，檢(jian)測血(xue)液生(sheng)化指(zhi)標及代謝組(zu)、腸道微生(sheng)物等分(fen)析； 2）菌群和代(dai)謝物分(fen)別與血液(ye)指標關聯分(fen)析，鎖定關鍵代(dai)謝物/關鍵菌種； 3）綜合分析菌種(zhong)與代(dai)謝(xie)物相關性，明(ming)確功能菌-代(dai)謝(xie)物-血液(ye)指標的調(diao)控軸； 4）多種試驗(yan)手段驗(yan)證揭示功能菌的作用(yong)方式。 圖4. 研究思路 研(yan)究小結：本(ben)(ben)研(yan)究基(ji)于臨床樣本(ben)(ben)，利用FHS參(can)與(yu)者的(de)糞(fen)便(bian)宏基(ji)因組和非靶(ba)向代謝(xie)組數據，鑒定了(le)超過16000個微生物與(yu)代謝(xie)特征之間的(de)關聯，挖掘了(le)與(yu)CVD具有(you)相關性的(de)微生物和代謝(xie)物，并發現Oscillibacter屬的(de)細菌(jun)可以(yi)編碼膽固醇(chun)代謝(xie)酶，能(neng)夠代謝(xie)腸道中的(de)膽固醇(chun)，從而有(you)助于降(jiang)低膽固醇(chun)以(yi)及心血(xue)管疾病風險。 圖(tu)5. 研究概括圖(tu) 2.藥(yao)物藥(yao)效機制研究(jiu) 2023年(nian)，香港(gang)中文大(da)學于(yu)君教授(shou)團隊(dui)在胃腸(chang)病(bing)學頂級(ji)學術期刊Gastroenterology發表的一篇文章，其研(yan)究思路堪稱“超(chao)強范本”，非常值(zhi)得借鑒學習。 圖6. //doi.org/10.1053/j.gastro.2023.08.052 研究主題：傳統藥物片仔癀通過恢復腸道微生物群和代謝產物抑制結直腸腫瘤的發生 發表(biao)期刊(kan)：Gastroenterology，IF=29.4 相關技(ji)術(shu)：宏(hong)基因(yin)組測序，非靶向代謝(xie)組學，RNA測序等 研(yan)究思(si)路： 1）利用小鼠模型證(zheng)實片仔(zi)癀（PZH）可有效抑制結直腸癌（CRC）； 2）探究腸菌及代謝物(wu)在PZH抑制CRC的作(zuo)用中具有(you)什么功能； 3）探(tan)究PZH如何(he)改善腸屏障功能，通(tong)過什么信號通(tong)路達到抑癌作用； 4）除(chu)了通過腸(chang)道微(wei)(wei)生物之外(wai)，片仔癀(huang)中還含(han)有其他直(zhi)接預防腸(chang)癌的(de)成(cheng)分。 圖7. 研究(jiu)思路 研究小結(jie)：本研究證(zheng)實PZH調節腸道(dao)微(wei)(wei)生物組成（有益菌(jun)增加，致病菌(jun)減少），促進有益代謝物的分泌，改善(shan)腸道(dao)屏障功能，抑(yi)(yi)制致癌和(he)促炎途徑。除了對腸道(dao)菌(jun)群的影響外，PZH中活性(xing)成分人參皂苷在體外和(he)體內也直接抑(yi)(yi)制結(jie)直腸腫瘤的發生。 圖(tu)8. 研(yan)究(jiu)概(gai)括圖(tu) 3.農學研(yan)究領域 2024年，國內外多個(ge)科(ke)研(yan)單位聯合在Nature Communications上在線(xian)發表一篇論文，該(gai)研(yan)究對(dui)水(shui)稻葉(xie)際微生(sheng)物(wu)組(zu)進(jin)行了大(da)規模深入的評(ping)估，揭示了宿主特定代謝物(wu)驅動葉(xie)際微生(sheng)物(wu)富集的潛在機制。 圖9. //doi.org/10.1038/s41467-023-44335-3 研究主題：植物代謝物調控水稻葉際微生物穩態研究 發表期刊：Nature Communications，IF=16.6 相關(guan)技術：宏基(ji)因組學(xue)，代謝組學(xue)，16S rRNA擴增子測序等(deng) 研究概況(kuang)：本研究通(tong)過將(jiang)一個大規模(mo)的(de)(de)(de)葉際宏基(ji)(ji)因組數據集與GWAS相結合，確定了水(shui)(shui)稻(dao)基(ji)(ji)因型與4種細菌目之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)強(qiang)關(guan)聯(lian)。隨(sui)后通(tong)過基(ji)(ji)因編(bian)輯技術(shu)，構(gou)建基(ji)(ji)因敲除(chu)和過表達植株，明確地將(jiang)微生(sheng)物(wu)(wu)組的(de)(de)(de)變化歸因于水(shui)(shui)稻(dao)葉片中的(de)(de)(de)4-羥(qian)基(ji)(ji)肉桂酸（4-HCA），提供了一種特定植物(wu)(wu)代謝(xie)物(wu)(wu)與水(shui)(shui)稻(dao)葉際微生(sheng)物(wu)(wu)穩(wen)態之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)直接聯(lian)系，證明OsPAL02相關(guan)的(de)(de)(de)4-HCA對(dui)Pseudomonadales成(cheng)員(yuan)的(de)(de)(de)富集和驅動葉際微生(sheng)物(wu)(wu)組的(de)(de)(de)組裝(zhuang)具(ju)有重要作用。這提示了精確地了解水(shui)(shui)稻(dao)植物(wu)(wu)與其葉際微生(sheng)物(wu)(wu)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)關(guan)系，為后續新的(de)(de)(de)育種策略開辟可能性。 研究思路(lu)： 圖10. 研究思路
微(wei)生(sheng)物(wu)組-代謝(xie)組聯合研究策略
目前微(wei)生(sheng)物代謝(xie)組(zu)研究這(zhe)個體系已基(ji)本成熟，研究熱度趨于穩(wen)定。水漲船高的(de)態勢下(xia)，深(shen)挖機制、創新思(si)(si)路、大數(shu)據機器學習、抑或(huo)是(shi)結合其他(ta)熱點（如免疫(yi)、腫瘤微(wei)環境、鐵(tie)死亡等等）的(de)高水平研究或(huo)將是(shi)該組(zu)合的(de)未來突破之路；盡管其熱度不再(zai)是(shi)爆發(fa)式的(de)，但相關研究仍存(cun)在很多(duo)未解之謎，也將是(shi)CNS這(zhe)些(xie)頂尖期(qi)刊的(de)“常客”。小編通過多(duo)篇經(jing)典文章(zhang)思(si)(si)路梳理(li)了以下(xia)菌群(qun)代謝(xie)研究策略供您參(can)考： 圖11. 微生物(wu)多組學研(yan)究策略 1.在(zai)進(jin)行微(wei)生物(wu)多組學(xue)研究中，通常會先觀(guan)察/檢測到某(mou)些外因/內因導致(zhi)的表(biao)型/生化指(zhi)標(biao)差異或(huo)某(mou)些干預有(you)明顯作用，隨后(hou)分別進(jin)行16S rRNA/宏基因組測序(xu)、代謝(xie)組學(xue)檢測等，進(jin)而探究作用機制與功能驗(yan)證。 2.組學技術如何(he)選擇： 1）16S rRNA擴(kuo)增子測(ce)序：可鑒定(ding)到屬(shu)水平，進行微(wei)生物(wu)組成分析(xi) 2）宏基因組(zu)：可鑒定到物種(zhong)水平，除了(le)微生物組(zu)成(cheng)分析外，還可進(jin)行功(gong)能分析，比16S獲(huo)得的數據量更大(da)，深度挖(wa)掘菌種(zhong)功(gong)能信息 3）非靶向(xiang)代(dai)謝(xie)組(zu)：廣篩發(fa)現關鍵差異代(dai)謝(xie)物(wu)，并分析解密其(qi)在疾病發(fa)生發(fa)展、生命機(ji)(ji)體代(dai)謝(xie)、宿主-微生物(wu)互作等方面的重要作用機(ji)(ji)制 4）靶(ba)向(xiang)代(dai)謝組：針(zhen)對(dui)特定功能通路的關(guan)鍵目(mu)標(biao)代(dai)謝物進行(xing)靶(ba)向(xiang)驗證和研究，包括菌群(qun)相關(guan)代(dai)謝物膽(dan)汁(zhi)酸、短鏈脂肪(fang)酸等，其他(ta)代(dai)謝物類(lei)群(qun)，視不同情況(kuang)進行(xing)選擇 注：派森諾可提供相關研究涉及(ji)到(dao)的(de)所有組學技(ji)術，其中(zhong)非靶向代謝組近(jin)期上線(xian)的(de)數據(ju)庫--PSNGM，包含(han)了醫學、動物(wu)(wu)、植物(wu)(wu)、微(wei)(wei)生(sheng)物(wu)(wu)、腸道及(ji)中(zhong)藥等6大分類庫，詳情可點擊文章標題了解（），可為微生(sheng)物代謝組(zu)研(yan)究提(ti)供強有力(li)的支(zhi)持。 3.多組學關(guan)聯分析往(wang)往(wang)只能得到差異菌-差異代謝物的(de)(de)相關(guan)性(xing)，而非因果性(xing)。近(jin)些(xie)年隨著研究的(de)(de)廣度(du)(du)與深度(du)(du)不(bu)斷提升，若僅做(zuo)到相關(guan)性(xing)這(zhe)步，大概(gai)率只能發(fa)到5分左右的(de)(de)文章（除非像上述Cell那樣結合大隊列(lie)樣本與大數據深度(du)(du)挖掘(jue)以及(ji)創新發(fa)現）。因此，通常情況下，進一步機(ji)制(zhi)挖掘(jue)與功(gong)能驗證(zheng)還是更有機(ji)會達(da)到10分水平，甚至IF 20+。 4.機(ji)制與(yu)功能驗證通常會(hui)采(cai)用以(yi)下技術(shu)手(shou)段： 1）體內/體外(wai)試(shi)驗(yan)，包括抗生素處理，糞(fen)菌/單菌移(yi)植；代謝(xie)(xie)物添加或剝奪(duo)；體外(wai)糞(fen)便（菌來源(yuan)的樣本）/特(te)定菌培養等，驗(yan)證差異菌/代謝(xie)(xie)物的功(gong)能 2）不同細胞(bao)株/細胞(bao)系(xi)水平探(tan)究機制與功能驗證 3）動物(wu)/植物(wu)/細胞等基因(yin)敲除/基因(yin)過表達，或轉錄(lu)水平，探究(jiu)作用(yong)信(xin)號(hao)通路與關鍵信(xin)號(hao)因(yin)子 4）免(mian)疫(yi)/炎癥(zheng)因子水平 5）關鍵代謝酶(mei)特異性激動劑/拮抗劑 6）臨床上采(cai)用驗(yan)證隊列檢測相關(guan)指(zhi)標進一步(bu)驗(yan)證 7）...... 5. 關于樣本選擇： 1）微(wei)生(sheng)物(wu)組：推薦(jian)人的糞便/拭子、動物(wu)糞便/腸內(nei)容物(wu)/腸組織、植物(wu)組織、土壤等(deng)富(fu)含微(wei)生(sheng)物(wu)的生(sheng)物(wu)樣本 2）代(dai)謝組(zu)：人的糞便/血清/血漿/組(zu)織(zhi)、動物糞便/腸(chang)(chang)內(nei)容物/腸(chang)(chang)組(zu)織(zhi)/血清/血漿、植物組(zu)織(zhi)、根系(xi)分泌物、土壤、微(wei)生物菌體(ti)/菌液(ye)上清、細胞/培養(yang)基等各類生物樣(yang)本均可 3）通(tong)常(chang)多(duo)組學聯(lian)合分(fen)析時，選用同類型樣(yang)本的關(guan)(guan)聯(lian)性更強，當然不同類型樣(yang)本也可進(jin)行關(guan)(guan)聯(lian)分(fen)析 4）不同組(zu)學對于樣本收(shou)集(ji)也有不同的策略和注意事(shi)項(xiang)，具體方案歡迎(ying)聯系我們進一步溝通(tong)
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