文(wen)章(zhang)題目：Metagenome-informed metaproteomics of the human gut microbiome, host, and dietary exposome uncovers signatures of health and inflammatory bowel disease

中(zhong)文標題：人類(lei)腸(chang)道微生物組、宿主及飲食暴露組的宏基(ji)因(yin)組輔助宏蛋白(bai)質組學(xue)研究揭示健康(kang)與炎(yan)癥性腸(chang)病的特征(zheng)標志

發表期刊：Cell

影響因(yin)子：42.5

發(fa)表(biao)時間：2025.01

樣本類型：人、小鼠糞便

組(zu)學技術：宏基因組測序、宏蛋白組學

研究背景

腸(chang)道(dao)微生(sheng)(sheng)物組(zu)、宿(su)主(zhu)和飲(yin)食(shi)的(de)復(fu)雜相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用是維持健康(kang)或引發(fa)疾(ji)病的(de)關鍵。然而，傳統(tong)研究方法（如宏(hong)基(ji)(ji)因(yin)組(zu)測序）主(zhu)要關注微生(sheng)(sheng)物的(de)基(ji)(ji)因(yin)組(zu)成，無法直(zhi)接反映其(qi)功能(neng)活性(xing)。蛋(dan)白(bai)質作(zuo)(zuo)為生(sheng)(sheng)命活動的(de)直(zhi)接執行者，其(qi)表達(da)水平更(geng)能(neng)體(ti)現微生(sheng)(sheng)物和宿(su)主(zhu)的(de)動態(tai)功能(neng)狀態(tai)。炎(yan)癥(zheng)性(xing)腸(chang)病（IBD）等腸(chang)道(dao)疾(ji)病與(yu)微生(sheng)(sheng)物組(zu)失(shi)調密切相(xiang)關，但現有診斷標(biao)志(zhi)物（如鈣衛蛋(dan)白(bai)）敏(min)感性(xing)和特(te)異性(xing)有限，且缺乏對飲(yin)食(shi)暴露(lu)的(de)客觀評估方法。研究開發(fa)了(le)一種結合宏(hong)基(ji)(ji)因(yin)組(zu)信息(xi)的(de)宏(hong)蛋(dan)白(bai)質組(zu)學方法MIM（metagenome-informed metaproteomics），該方法能(neng)夠同(tong)時量(liang)化(hua)來自飲(yin)食(shi)、宿(su)主(zhu)和微生(sheng)(sheng)物的(de)蛋(dan)白(bai)質，以更(geng)好(hao)地解析宿(su)主(zhu)-微生(sheng)(sheng)物組(zu)-飲(yin)食(shi)相(xiang)互(hu)作(zuo)(zuo)用，并為炎(yan)癥(zheng)性(xing)腸(chang)病（IBD）等腸(chang)道(dao)微生(sheng)(sheng)物組(zu)相(xiang)關疾(ji)病的(de)個性(xing)化(hua)診療開辟了(le)新的(de)可能(neng)性(xing)。

研究思路

1.腸道微生物組(zu)與宿(su)主健(jian)康的直接功能(neng)聯系

通過對(dui)小鼠和人(ren)類的(de)(de)研究(jiu)，科學家們發現(xian)腸道微生物組的(de)(de)功能變(bian)化與宿主健康之間存在(zai)直接的(de)(de)聯系。在(zai)炎(yan)癥(zheng)性腸病（IBD）患者(zhe)中(zhong)，不(bu)僅(jin)微生物組的(de)(de)組成發生了變(bian)化，其功能也出現(xian)了特定的(de)(de)“功能失調(diao)”，這種失調(diao)表現(xian)為某(mou)些細菌(jun)對(dui)炎(yan)癥(zheng)信號的(de)(de)反(fan)應受到抑(yi)制(zhi)。

2.飲(yin)食、宿(su)主(zhu)和微生物組的相互作用

通(tong)過分析健康個(ge)體和(he)IBD患者(zhe)的糞便樣本，科學家們能夠(gou)準確地描繪出飲(yin)食(shi)暴露的情(qing)況。他們發(fa)現，在IBD患者(zhe)中，飲(yin)食(shi)模(mo)式(shi)與健康個(ge)體存(cun)在顯著差(cha)異(yi)(yi)，這種差(cha)異(yi)(yi)可能與疾病(bing)的發(fa)生和(he)發(fa)展有關。

3.早期(qi)疾病(bing)標志(zhi)物的發現

通過對IBD患者和健康對照組的比較(jiao)分析，研究(jiu)團隊(dui)發現(xian)了一系列潛在(zai)的疾(ji)病標(biao)志(zhi)物(wu)，這(zhe)些標(biao)志(zhi)物(wu)不僅包(bao)括(kuo)宿主蛋(dan)白(bai)，還包(bao)括(kuo)微(wei)生物(wu)蛋(dan)白(bai)。

研究(jiu)內容(rong)

1. MIM宏蛋白(bai)質組工作流(liu)程(cheng)和性能(neng)測試(shi)

“宏基(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)指導下的(de)(de)(de)宏蛋(dan)白(bai)質(zhi)組(zu)(zu)(zu)學”（Metagenome-Informed Metaproteomics，MIM）方(fang)法主(zhu)要是利(li)用每次實驗(yan)樣本的(de)(de)(de)宏基(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)測序結(jie)果構建個(ge)體(ti)化參考(kao)數據庫，結(jie)合(he)質(zhi)譜(pu)進行蛋(dan)白(bai)質(zhi)組(zu)(zu)(zu)檢測和定量的(de)(de)(de)分析方(fang)法，以此實現(xian)對宿主(zhu)、腸道微生(sheng)物(wu)及膳(shan)食來源蛋(dan)白(bai)的(de)(de)(de)同步(bu)、種水平定量分析。簡單說，就是先用宏基(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)獲(huo)得菌(jun)(jun)群信息(xi)，再(zai)用這些菌(jun)(jun)的(de)(de)(de)基(ji)(ji)因(yin)信息(xi)做參考(kao)，結(jie)合(he)質(zhi)譜(pu)檢測蛋(dan)白(bai)，這樣就能(neng)精(jing)準(zhun)知道糞(fen)便里宿主(zhu)、細(xi)菌(jun)(jun)和吃進去的(de)(de)(de)食物(wu)都有哪些蛋(dan)白(bai)被表達出來，從而分析它們之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)相互作用。在(zai)健康SPF小鼠中，MIM平均檢測到631個(ge)宿主(zhu)蛋(dan)白(bai)、2656個(ge)細(xi)菌(jun)(jun)蛋(dan)白(bai)和23個(ge)膳(shan)食蛋(dan)白(bai)；在(zai)人類樣本中，分別(bie)為(wei)363、3746和58個(ge)。通過(guo)與其他宏蛋(dan)白(bai)質(zhi)組(zu)(zu)(zu)學和宏基(ji)(ji)因(yin)組(zu)(zu)(zu)方(fang)法的(de)(de)(de)體(ti)外、計算模擬及體(ti)內對比，MIM在(zai)靈敏度、特異性(xing)和分類精(jing)度上表現(xian)更優，能(neng)夠識別(bie)>90%的(de)(de)(de)已知細(xi)菌(jun)(jun)蛋(dan)白(bai)，且準(zhun)確(que)度高于97%。

基于宏(hong)基因(yin)組(zu)信(xin)息的宏(hong)蛋(dan)白質組(zu)學(MIM)在微生物組(zu)研究中的應用

2. MIM 評估人(ren)類(lei)胃腸(chang)道(GIT)中的功能性微(wei)生物組-宿主相互作用(yong)

通過(guo)MIM方法(fa)分(fen)(fen)析(xi)了(le)健(jian)(jian)康(kang)人群(qun)糞(fen)便(bian)樣(yang)本的(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)質組(zu)，與宏基(ji)因(yin)組(zu)相比，MIM檢(jian)測到(dao)更少但功(gong)能(neng)活躍的(de)(de)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)，且樣(yang)本間變異度(du)更低，提示(shi)其(qi)更能(neng)反映功(gong)能(neng)狀態(tai)。MIM發現多(duo)數細菌(jun)的(de)(de)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)豐度(du)與其(qi)基(ji)因(yin)豐度(du)不一(yi)致(zhi)，尤其(qi)是分(fen)(fen)泌蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)，說明(ming)基(ji)因(yin)難(nan)以預(yu)測實際蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)表(biao)達。此外(wai)，MIM將97%的(de)(de)糞(fen)便(bian)微生(sheng)(sheng)物(wu)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)精確定位(wei)至(zhi)種水平，而非目標(biao)物(wu)種的(de)(de)隨機蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)會嚴重降低分(fen)(fen)析(xi)準確性(xing)和(he)效(xiao)率。在復(fu)雜菌(jun)群(qun)背(bei)景下，MIM展現出(chu)高(gao)于參考數據(ju)庫(ku)和(he)基(ji)因(yin)組(zu)拼接方法(fa)的(de)(de)物(wu)種解析(xi)力。進一(yi)步研究(jiu)了(le)治(zhi)療(liao)前健(jian)(jian)康(kang)個(ge)體和(he)廣(guang)譜抗(kang)生(sheng)(sheng)素處理(li)個(ge)體從胃(wei)到(dao)糞(fen)便(bian)的(de)(de)多(duo)部位(wei)樣(yang)本。MIM揭示(shi)健(jian)(jian)康(kang)腸(chang)(chang)(chang)道共(gong)生(sheng)(sheng)菌(jun)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)在不同部位(wei)的(de)(de)特異性(xing)表(biao)達，例如幽門螺桿菌(jun)在胃(wei)中(zhong)特異表(biao)達致(zhi)病島蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)，而鏈球(qiu)菌(jun)糖類代謝蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)在胃(wei)中(zhong)豐度(du)高(gao)于糞(fen)便(bian)，僅由(you)MIM檢(jian)測到(dao)。抗(kang)生(sheng)(sheng)素處理(li)導致(zhi)條件厭(yan)氧菌(jun)如大(da)腸(chang)(chang)(chang)桿菌(jun)和(he)腸(chang)(chang)(chang)球(qiu)菌(jun)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)上升(sheng)，伴隨蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)和(he)種類梯(ti)度(du)的(de)(de)消(xiao)失(shi)，并產生(sheng)(sheng)個(ge)體化的(de)(de)抗(kang)藥性(xing)蛋(dan)白(bai)(bai)(bai)譜，這些多(duo)無法(fa)通過(guo)糞(fen)便(bian)檢(jian)測得到(dao)。

健康與(yu)抗生(sheng)素干擾下的人類宿主-微生(sheng)物組MIM景觀

3.飲食暴露組的(de)蛋(dan)白質組定量分析(xi)

通(tong)過MIM分(fen)析，研究不(bu)僅(jin)能夠(gou)準(zhun)確(que)(que)(que)識別飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)來源(yuan)的(de)(de)(de)蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)質(zhi)(zhi)(zhi)，為每項(xiang)分(fen)析提供飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)暴(bao)露(lu)(lu)組的(de)(de)(de)定(ding)量(liang)評(ping)估，還展示了(le)其在不(bu)同實驗設置下的(de)(de)(de)應用潛力。以控(kong)制(zhi)飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)鼠為對(dui)象(xiang)利用MIM分(fen)析不(bu)同飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)小(xiao)(xiao)鼠的(de)(de)(de)糞(fen)便樣(yang)本宏蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)質(zhi)(zhi)(zhi)組。純酪蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)小(xiao)(xiao)鼠中專一(yi)性的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)出(chu)了(le)α-酪蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)，氨基(ji)酸(suan)飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)小(xiao)(xiao)鼠檢(jian)(jian)測(ce)不(bu)到食(shi)(shi)(shi)物來源(yuan)蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)信號(hao)，豌豆和(he)(he)大米喂食(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)鼠中專一(yi)性檢(jian)(jian)出(chu)了(le)豌豆和(he)(he)水稻蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)，MIM宏蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)質(zhi)(zhi)(zhi)組也能準(zhun)確(que)(que)(que)區分(fen)麩(fu)質(zhi)(zhi)(zhi)飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)和(he)(he)非麩(fu)質(zhi)(zhi)(zhi)飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)小(xiao)(xiao)鼠。作者在人(ren)群樣(yang)本中同樣(yang)利用MIM宏蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)質(zhi)(zhi)(zhi)組定(ding)量(liang)了(le)膳(shan)(shan)食(shi)(shi)(shi)暴(bao)露(lu)(lu)組。基(ji)于(yu)MIM的(de)(de)(de)宏蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)質(zhi)(zhi)(zhi)組營養評(ping)估可以準(zhun)確(que)(que)(que)捕捉基(ji)于(yu)人(ren)群由飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)習慣文化差異驅動(dong)的(de)(de)(de)食(shi)(shi)(shi)物暴(bao)露(lu)(lu)差異。來自(zi)以色列(lie)隊列(lie)（n=54）和(he)(he)德國(guo)人(ren)隊列(lie)（n=100）的(de)(de)(de)基(ji)于(yu)MIM的(de)(de)(de)飲(yin)(yin)食(shi)(shi)(shi)暴(bao)露(lu)(lu)確(que)(que)(que)定(ding)隊列(lie)檢(jian)(jian)測(ce)到兩國(guo)居民糞(fen)便中對(dui)含小(xiao)(xiao)麥食(shi)(shi)(shi)物的(de)(de)(de)膳(shan)(shan)食(shi)(shi)(shi)暴(bao)露(lu)(lu)水平相(xiang)似。

MIM可準確識別小鼠(shu)和人類的飲食暴露情況

4. 小(xiao)鼠腸道自體炎癥(zheng)過程中宿主-共生菌-飲食交叉調控的功能闡明(ming)

利(li)用 MIM 來解析在誘導小鼠急性(xing)葡聚糖硫酸(suan)鈉炎癥性(xing)腸(chang)病(IBD)結腸(chang)炎模型過程中發(fa)生的(de)(de)復雜整體(ti)生物(wu)(wu)相互作用。在 DSS 補充開始后僅(jin)(jin) 3 天，并且在整個疾病過程中，無論是(shi)(shi)通(tong)(tong)過宏基因組還是(shi)(shi) MIM 評估(gu)，糞便微生物(wu)(wu)組都(dou)與基線相比發(fa)生了(le)顯著變化。值得(de)注意(yi)的(de)(de)是(shi)(shi)，MIM 識別出這(zhe)種急性(xing)炎癥環境(jing)中的(de)(de)兩(liang)種不同的(de)(de)失(shi)調(diao)(diao)(diao)模式(shi)：一種是(shi)(shi)“組成(cheng)性(xing)失(shi)調(diao)(diao)(diao)”，表現(xian)為(wei)共生菌(jun)豐度的(de)(de)變化，特征為(wei)物(wu)(wu)種特異性(xing)蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)的(de)(de)單向(xiang)表達變化。這(zhe)些變化可(ke)以通(tong)(tong)過宏基因組檢(jian)測到(粉色)或僅(jin)(jin)通(tong)(tong)過 MIM 檢(jian)測到(紅色)。此(ci)外，還觀察到一種“功(gong)能(neng)性(xing)失(shi)調(diao)(diao)(diao)”，它表現(xian)為(wei)某(mou)些物(wu)(wu)種中一組蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)質的(de)(de)變化，大多數“管家蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)”和相關的(de)(de)宏基因組信號保(bao)持不變(深紅色)。這(zhe)種與小鼠腸(chang)道自體(ti)炎癥相關的(de)(de)功(gong)能(neng)性(xing)失(shi)調(diao)(diao)(diao)，特別表現(xian)為(wei)多種細菌(jun)蛋(dan)(dan)(dan)白(bai)的(de)(de)減(jian)少，主(zhu)要(yao)來自 毛(mao)螺菌(jun)屬(Lachnospiraceae) 物(wu)(wu)種。

小鼠患腸道炎癥過程中宿主-微(wei)生物(wu)組飲食 MIM 變化(hua)

5.MIM揭示了人類IBD中宿主-微生物群功能程(cheng)序(xu)的改變

首先評估了(le)以(yi)色(se)列一(yi)組(zu)參(can)與(yu)者(zhe)的(de)(de)糞(fen)便(bian)(bian)MIM譜(pu)，這(zhe)些(xie)參(can)與(yu)者(zhe)包(bao)括(kuo)(kuo)一(yi)組(zu)新發(fa)病的(de)(de)兒(er)童克羅恩(en)病患(huan)(huan)者(zhe)(ISR-pCD，n = 26)和與(yu)其年(nian)齡及性(xing)別匹配的(de)(de)健康(kang)對照組(zu)(ISR-HC，n = 28)。ISR-pCD患(huan)(huan)者(zhe)的(de)(de)糞(fen)便(bian)(bian)細(xi)(xi)菌(jun)MIM譜(pu)與(yu)ISR-HC組(zu)顯著(zhu)不(bu)同，其中包(bao)括(kuo)(kuo)多個細(xi)(xi)菌(jun)代謝(xie)途徑(jing)(jing)的(de)(de)失調，這(zhe)些(xie)途徑(jing)(jing)在ISR-pCD患(huan)(huan)者(zhe)中被發(fa)現發(fa)生了(le)變(bian)化，例如普(pu)通(tong)擬桿菌(jun)(Bacteroides vulgatus)中的(de)(de)糖基降解和鞘氨(an)醇脂代謝(xie)。有(you)趣(qu)的(de)(de)是，幾種細(xi)(xi)菌(jun)蛋白(bai)與(yu)臨(lin)床參(can)數(shu)(shu)顯著(zhu)相(xiang)關(guan)(guan)，包(bao)括(kuo)(kuo)C反應蛋白(bai)(C-reactive protein, CRP)、鈣(gai)衛蛋白(bai)和兒(er)童克羅恩(en)病活(huo)動指數(shu)(shu)(PCDAI)。此外，糞(fen)便(bian)(bian)中ISR-pCD宿主的(de)(de)MIM特(te)征與(yu)ISR-HC組(zu)明(ming)顯不(bu)同，并且與(yu)免疫系統(tong)，特(te)別是中性(xing)粒細(xi)(xi)胞功能(neng)和細(xi)(xi)菌(jun)防(fang)御(yu)相(xiang)關(guan)(guan)。

人類IBD中(zhong)的宿(su)主-微生物群膳食腸道MIM譜

6.糞便飲食蛋(dan)白質組評估揭示人類IBD中的與炎癥相關的蛋(dan)白質吸收不良

在新發ISR-pCD患(huan)兒中，開始(shi)實施專一(yi)性(xing)腸內營養（EEN）后，糞便(bian)中膳食蛋白顯著(zhu)減少，個(ge)體間差(cha)異明顯，且糞便(bian)膳食蛋白數量(liang)與炎(yan)癥標志物S100A9呈正相關，表明MIM可(ke)同時評估飲食依從性(xing)與炎(yan)癥狀態。進一(yi)步(bu)分析HMP-Cin（Cincinnati Medical Center的(de) HMP隊(dui)(dui)列）和HMP-MGH（Massachusetts General Hospital的(de)HMP 隊(dui)(dui)列）（人類微(wei)生(sheng)物組計(ji)劃（Human Microbiome Project, HMP）兩個(ge)IBD隊(dui)(dui)列，發現(xian)僅在HMP-Cin中，IBD患(huan)者糞便(bian)膳食蛋白總量(liang)顯著(zhu)升高，尤其是伴有上消化道受(shou)累的(de)Crohn患(huan)者，提示MIM可(ke)作為(wei)非侵(qin)入性(xing)手(shou)段推測(ce)小腸吸收(shou)功能異常(chang)，具有潛在臨床價(jia)值。

基于MIM的非侵入性(xing)炎(yan)癥性(xing)腸病(bing)生物標志(zhi)物

研究結(jie)論

該(gai)研究采用(yong)了基于(yu)宏基因組(zu)(zu)的(de)(de)宏蛋白質組(zu)(zu)學(metagenome-informed metaproteomics, MIM)方法，在小鼠(shu)(shu)和(he)(he)人類(lei)模型(xing)中(zhong)，以(yi)非侵入(ru)性(xing)方式(shi)探索了共生(sheng)(sheng)菌(jun)(jun)和(he)(he)病(bing)原(yuan)菌(jun)(jun)定(ding)植、營(ying)養(yang)(yang)調(diao)控以(yi)及(ji)抗生(sheng)(sheng)素干擾期間(jian)的(de)(de)物(wu)種水平(ping)的(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)群(qun)-宿(su)(su)主相互作(zuo)(zuo)用(yong)。同時，糞(fen)便(bian)MIM精確表征了多種臨床和(he)(he)飲(yin)食環(huan)境中(zhong)的(de)(de)營(ying)養(yang)(yang)暴露情況。在小鼠(shu)(shu)自(zi)身炎(yan)癥(zheng)模型(xing)和(he)(he)人類(lei)炎(yan)癥(zheng)性(xing)腸(chang)病(bing)(inflammatory bowel disease, IBD)研究中(zhong)，MIM鑒定(ding)出“組(zu)(zu)成性(xing)菌(jun)(jun)群(qun)失調(diao)(compositional dysbiosis)”及(ji)隨之而(er)來的(de)(de)物(wu)種特(te)異性(xing)“功能性(xing)菌(jun)(jun)群(qun)失調(diao)(functional dysbiosis)”，該(gai)失調(diao)由共生(sheng)(sheng)菌(jun)(jun)對炎(yan)癥(zheng)宿(su)(su)主信號的(de)(de)抑制性(xing)響應(ying)所驅(qu)動。更(geng)重要的(de)(de)是，同時進行(xing)的(de)(de)糞(fen)便(bian)營(ying)養(yang)(yang)MIM分(fen)析(xi)可用(yong)于(yu)確定(ding)IBD相關的(de)(de)飲(yin)食模式(shi)、飲(yin)食治療(liao)依從性(xing)以(yi)及(ji)小腸(chang)消化異常(chang)。整(zheng)體(ti)而(er)言，平(ping)行(xing)化的(de)(de)飲(yin)食-細菌(jun)(jun)-宿(su)(su)主MIM分(fen)析(xi)能夠(gou)從功能角度揭示跨界互作(zuo)(zuo)網(wang)絡如何塑造(zao)胃腸(chang)生(sheng)(sheng)態，并為與微生(sheng)(sheng)物(wu)群(qun)相關的(de)(de)疾病(bing)提供個性(xing)化的(de)(de)診(zhen)斷(duan)和(he)(he)治療(liao)見解。