综述 | Nature Reviews：作为多领域媒介的肠道微生物代谢物
编译：西西，编辑：Emma、江舜尧。
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肠道微生物群通过产生无数的代谢物对宿主的生理或病理状况产生好或坏的影响，但其具体机制尚不明确，阻碍了肠道微生物面向临床的应用进程，而受到研究方法的限制，寄主-微生物群相互作用的研究仍然极具挑战性。本文针对肠道菌群的代谢物及其对宿主的影响，详述了代谢物在宿主-微生物交互过程中扮演的重要角色，根据其发酵底物，作用组织的种类及代谢状态等，对宿主的生理或病理状态影响各异，并简单介绍了研究代谢物的方法（对代谢组学和化学修饰的研究方法的列举及比较）。最后，作者指出宿主-微生物交互研究过程中的重点稳态，分析其在向临床转化过程困难的原因，最终提出，微生物群相关代谢产物的定量测量可能会取代种群内部和种群之间的某些已知差异，成为未来疾病诊断的新的标记物及潜在的治疗靶点。
论文ID
原名：Gut microbial metabolites as multi-kingdom intermediates译名：作为多领域媒介的肠道微生物代谢物
期刊：Nature Reviews | Microbiology
IF：34.209发表时间：2020.09通讯作者：Fredrik Bäckhed
通讯作者单位：瑞典哥德堡大学萨尔格学院瓦伦堡实验室
内容
1.摘要
肠道微生物群通过产生无数的代谢物对宿主生理作出贡献。这些代谢物在宿主体内作为信号分子发挥作用，并作为代谢反应的底物。由于不同领域内部和领域之间高度的互作，寄主-微生物群相互作用的研究仍然极具挑战性，专注于代谢的研究已经确定了与宿主健康相关的多种可操作的微生物靶标。代谢物作为宿主与微生物相互作用的功能输出，提供了一个非常复杂的多生物系统的轮廓。虽然大量的工作仍有待于理解寄主-微生物群的相互作用及其背后的原因机制，我们回顾目前每一个主要类别的微生物代谢物知识，强调临床和转化研究意义。我们提供一个用于微生物代谢物的测量方法的概述，讨论关键挑战，提供了一个潜在的整合了基于发现代谢物的研究及其机制工作的框架。最后，我们强调了文献中这种方法应用实例，其在理解寄主-微生物群相互作用方面取得了实质性进展。
哺乳动物肠道微生物群是由数万亿微生物(病毒、细菌、古生菌和真核生物)组成的巨大集合，这些微生物存在于人体内部和表面，包括皮肤、唾液、口腔粘膜、阴道粘膜和结膜，但绝大多数存在于胃肠道中。人类细菌和细胞的比例约为1:1-1.3，其差异取决于年龄、性别和体型，并且肠道微生物组比人类基因组多出将近1000倍。 (在肠道微生物发现> 2200万个基因而在人类基因组中则是23000个基因) 在啮齿类动物和人类中，盲肠和近端结肠是微生物生物量最高的地区，而小肠较少，但仍数量庞大。在这篇综述中，我们关注的是居住在肠道中的细菌，肠道菌群对宿主生理的一个关键贡献是产生一系列不同的代谢物和其他小分子，这些代谢物被宿主肠道吸收，在宿主循环中可测量，其浓度通常等于或超过典型药物制剂所达到的浓度。
值得注意的是，即使在单一代谢物中，微生物化合物可以促进健康，也可能有毒害作用，其效果取决于受影响组织的种类和代谢状态、饮食环境和代谢物的循环水平等因素。此外，微生物代谢物的产生是由饮食底物可利用度和在人群内、跨地理或种族的个体差异所驱动的。微生物代谢物的产生与消化道微环境之间的关系也是周期性的，膳食底物利用率的变化会影响微生物发酵，而微生物发酵又会影响消化道pH值，从而影响复杂碳水化合物发酵产生的短链脂肪酸(SCFA)，导致微生物群落结构和功能的改变。因此，微生物代谢产物与宿主生理的相互作用是复杂的，会因环境、微生物和宿主来源的不同而发生变化。
关于肠道菌群代谢物对宿主健康的影响的报道数不胜数，尽管有大量高质量的关联研究，我们仍然需要对寄主-微生物群相互作用的机制有更多的了解。在肠道微生物与宿主-菌群共代谢化合物的广泛交互作用的过程中，代谢物的测量可以直接反映宿主菌群系统的整体情况。因此，以代谢为中心的研究设计是开展以追求微生物介导的宿主健康的基于人口的研究的合理方法。在这篇综述中，我们涵盖了主要的微生物代谢物类型，相关的生化结构特性和这些通路的调控。此外,我们在文献中强调菌群代谢产物影响宿主健康的实例，我们提供了微生物代谢物的方法，并讨论其挑战和机遇，以及在临床和转化研究的研究中以代谢物为中心的可能的框架。考虑到代谢物测量对探索寄主-菌群的相互作用的基本性质，和表观基因组作为一个复杂的信号整合子日益增长的作用，我们也涵盖了这些主题的内容，在BOX1和BOX2中分别展示。
BOX1 寄主-菌群研究中的代谢组学
微生物来源的或微生物修饰的代谢物的定量测量提供了微生物群代谢活性和宿主-微生物组相互作用的功能读取。这一迅速发展的领域有助于我们理解寄主-微生物群的相互作用。代谢组学分析与体外培养和生物反应器技术相结合已被证明是筛选和验证微生物群落和种属特异性酶对膳食底物、宿主代谢产物和药物活性的一种强有力的策略。来自不同宿主部分的代谢物谱逐渐用于调查特定肠道微生物修饰剂的影响，以及微生物源的或宿主-微生物群共底物对宿主健康的影响。
由于质谱分析的高灵敏度、无偏性和高通量探索能力以及对各种代谢物的适用性，其在宿主微生物群研究中越来越广泛。而生物样品高度复杂，故通常在质谱分析之前先进行色谱分离，以提高样品的分辨率以及后续的代谢物鉴定和定量。气相色谱-质谱(GC-MS)特别适用于挥发性代谢物如短链脂肪酸，但结合特定的分析前化学衍生步骤，其也可用于非挥发性代谢物如糖代谢物、氨基酸和氨基酸衍生物。液相色谱-质谱(LC-MS)被广泛用于分析非极性代谢物(胆汁酸和脂类)和极性代谢物(嘌呤、氨基酸、维生素及其衍生物)。LC-MS相比GC-MS使用更软的电离和更低的温度，使它更适合较大、不挥发和不稳定的代谢物。
核磁共振(NMR)光谱也用于代谢组学，尽管它的灵敏度一般低于基于质谱仪的方法。核磁共振光谱允许生物样品的代谢物含量丰富，并且样品制备相对简单。它还提供了有价值的结构信息，特别是当样品复杂性可以减轻时，这有利于识别新的微生物来源的化合物。尽管质谱和核磁共振波谱都允许非靶向代谢物分析，但由于微生物产物的高度多样性，识别光谱命中的结构仍然具有挑战性，其中许多尚未被鉴定。基于核磁共振和基于质谱的代谢组学都允许通过同位素示踪研究微生物群落中的营养同化和代谢活性。然而，利用同位素标记对微生物特异性代谢流进行全面特性测定仍然具有挑战性，因为许多代谢物在宿主和微环境中的各种微生物之间共享和交换，使得很难确定特定代谢物的起源。成像质谱(解吸附电喷雾离子化质谱或矩阵辅助的激光解吸/电离成像质谱和纳米级次级离子质谱)和生物光谱方法(拉曼光谱)可以提供高通量的空间信息，并且可以结合荧光探针和/或稳定同位素追踪获得宿主和微生物细胞中的单个细胞。
代谢物测定可用的其他分析方法，包括基于免疫化学的方法和酶法检测。这些方法的通量和靶向性低，但具有独特的优势。抗体可针对一些小分子的抗体，这使得基于elisa或基于成像的测量方法能检测到这些代谢物。基于成像的方法不仅可以提供高灵敏度，而且还可以提供其他方面难以获得的空间信息。
BOX2 表观基因组对超有机体代谢状态的信号整合。
内源性代谢物对染色质的调控是二十多年来研究的热点，但直到最近才弄清楚，微生物代谢物也可以对宿主的染色质修饰加以控制。许多小分子代谢物，包括甲基供体s -腺苷蛋氨酸(SAM)和中心碳变阻器乙酰CoA，调节添加和去除染色质修饰的酶的活性。染色质包括包裹在组蛋白八聚体周围的基因组双链DNA，组蛋白八聚体是一种小的、高度碱性的球状蛋白，具有灵活的氨基末端尾部，可进行广泛的翻译后修饰(PTMs)。乙酰化、甲基化和磷酸化是最常被研究的，但组蛋白PTMs的数量在稳步增长。组蛋白PTM共同形成了所谓的“组蛋白编码”，这是一套极其复杂的组合组蛋白修饰，调节需要物理途径进入基因组DNA的过程，包括转录、DNA复制和DNA修复。染色质也被假设作为细胞内信号整合器，以内生和外生来源小分子代谢物的形式接受环境线索，引出新的基因表达谱，以应对不同的刺激，从而使静态基因组适应动态的环境。虽然基因组DNA经历的一系列化学修饰比组蛋白的多样性少，但其量相对扩大，代谢物的可利用度也影响DNA甲基化。
除了少量已知的宿主染色体-微生物代谢物关系之外，还有许多假定的肠道微生物代谢物可能作为染色质修饰剂。虽然从20世纪70年代末开始，丁酸盐就已经被认为可以抑制组蛋白去乙酰化酶(HDACs)，但是微生物丁酸盐在几十年后才被直接与组蛋白乙酰化联系起来。微生物源的丁酸盐被证明通过两种不同的机制在正常结肠上皮中乙酰化组蛋白，而在高度糖酵解、Warburg样癌性结肠炎细胞中，表达相反的基因谱。此外，膳食纤维驱动的丁酸盐的产生和随后的组蛋白乙酰化被证明对小鼠和人类的结肠腺癌具有保护作用。然而，丁酸盐的保护作用仍然存在争议，因为也有证据表明这种代谢物促进癌症，这表明它有特定的和/或局部的作用。
在食源性肥胖的情况下，我们展示了，广泛的组蛋白修饰状态(乙酰化和甲基化)是由肠道微生物群在多个宿主组织中通过饮食依赖的方式调控的，在无菌鼠中补充短链脂肪酸足以逆转微生物诱导的染色质特征和肝基因表达的变化。肠道微生物控制宿主组蛋白PTMs也有昼夜节律。肠道粘膜附近微生物的日变化和代谢物的产生已被证明改变肠上皮细胞组蛋白乙酰化和甲基化。最近也有微生物驱动组蛋白PTMs的报道，包括乙基化和乳酸化。
最后，虽然原核肠道微生物群既没有细胞核也没有染色质，但有证据表明微生物中存在通过DNA甲基化和超卷曲的表观遗传调控。宿主的microRNA也可以影响微生物群。因此，表观遗传调控在宿主和微生物群中都具有重要的作用。跨越多个界，染色质可以作为内源性和微生物信号的细胞内整合者，引发适当的细胞和组织对环境刺激的反应。也有证据表明，早期生命暴露改变了肠道菌群和宿主的表观基因组。综上所述，这些证据表明，早期生命可能是微生物群和宿主表观基因组的关键发育窗口期，而且这些早期生命事件中可能不仅在染色质水平上留下印记，而且还会在几代人之间遗传。为了支持这一观点，最近的两项研究指出，在1型糖尿病患者中，早期抗生素暴露与肠道组蛋白PTM状态的改变有关联，母体宿主微生物胆碱竞争与母体和后代DNA甲基化的改变有关。2. 发酵底物
肠道远端宏量和微量营养素的细菌代谢产生许多化合物。SCFAs可能是最常被研究的一类小分子代谢物，其由膳食纤维的肠道微生物发酵产生，在较小的程度上，其他底物取决于可发酵碳水化合物的可利用性。膳食纤维在宿主健康和疾病中影响肠道菌群，它是一个广泛的概念，包括多糖、低聚糖和抗性淀粉。这些复杂的膳食碳水化合物逃避小肠宿主酶有限的分解作用，进入远端肠道，在那里它们作为多种微生物碳水化合物活性酶(CAZymes)的底物，极大地促进了宿主的代谢能力。在西方社会，膳食纤维估计占能量摄入的5-10%，但在膳食纤维摄入量较高的社区，这一比例可能更高。乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐占总SCFA的95%，在小鼠和人类的肠道中以大约60:20:20的摩尔比率存在。支链脂肪酸(BCFAs)，如异丁酸、2-甲基丁酸、异戊酸和丙酸酯，以及丙酸的中间体乳酸和琥珀酸，含量非常少，但能发挥生物学作用。在宿主生理学中有大量关于微生物SCFAs的文献，包括最近的评论完全致力于此主题。我们在此的目标是讨论关键的发酵途径、利用这些途径的微生物以及这些途径的调控，并强调SCFAs影响宿主健康的文献中优秀的和近期的例子。
虽然大部分SCFAs来源于膳食纤维，但微生物可获得碳水化合物(MACs)的另一个来源是结肠黏液层。在正常生理条件下，内部黏液层是不渗透的，但外层作为微生物栖息地，细菌可以利用黏液作为能量来源。黏液由小肠和大肠中的杯状细胞分泌，由称为粘蛋白的大型蛋白质(> 5000个氨基酸长)组成，粘蛋白高度o -糖基化。事实上，粘蛋白80%的分子量是由于这些复杂的碳水化合物翻译后的修饰。复杂聚糖通过细菌外糖苷酶从粘蛋白中一次释放一个单糖，如果去除足够多的聚糖，暴露粘蛋白核心，细菌蛋白酶就会溶解黏液凝胶。
大肠菌群还能发酵膳食来源、宿主来源和微生物来源的蛋白质，在总SCFA池中占比较小，包括乙酸、丙酸、丁酸以及支链氨基酸(BCAA)缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸中产生的BCFAs异丁酸、2-甲基丁酸和异戊酸盐。体外批量培养研究表明，蛋白质发酵占盲肠和远端肠(乙状结肠或直肠)SCFA池的17% ~ 38%。根据对人类回肠造口术和收集胰液的研究，结肠中蛋白质发酵底物的主要来源似乎是饮食；然而，分泌到肠道的胰腺水解酶估计可占结肠微生物群可用的氮化合物的19%(估计每天18克肠道微生物群可用的氮化合物中有3.5克胰酶分泌到肠道)。因此，蛋白质发酵对微生物有机酸的产生是一个小的，但实质性的贡献。
发酵的饮食底物也释放和/或修饰生物活性多酚。膳食多酚是一大类植物来源的化合物，在水果、蔬菜、谷物、茶、咖啡和葡萄酒等食物中常见。这些植物化学物质具有巨大的结构多样性(例如，在结构多样性上具有大于9000种，已经鉴定出了天然存在的类黄酮)，并根据结构相似性被分为不同家族：酚酸、类黄酮、木素、木素、香豆素和芪。它们通常以天然形式糖基化，但也会发生酯化、酰化和聚合反应，生成复杂的高分子量化合物，分子量可达近40000 Da。由于其结构复杂，膳食中的多酚只有10%在小肠中代谢和吸收。剩余的~90%进入远端肠道，在那里它们可能被微生物群广泛修饰和降解，从而增加它们的吸收和生物利用度。由于多酚类化合物的结构多样性和有限的生物利用度，它们的研究一直很困难，但有证据表明，这些化合物影响肠道微生物群落的组成和功能。膳食多酚通过抗炎、抗氧化和抗菌特性发挥其作用，并与心血管疾病(CVD)、癌症、代谢性疾病、阿尔茨海默病和炎症性肠病有关。一个令人鼓舞的假设是，尽管由于大量肠道菌群的代谢，其生物利用度低，这些化合物发挥可测量的生理效应。事实上，最近从柑橘类水果中提取的一种纯化的富含黄酮的提取物被证明以一种依赖微生物的方式对高脂肪喂养具有保护作用，这表明这种提取物可能是一种治疗性益生元，用于治疗代谢性疾病。尽管如此，需要更多的研究来更好地理解这一复杂的化合物对宿主-微生物互作的意义。
2.1 微生物对碳水化合物和蛋白质的发酵通路
膳食碳水化合物和蛋白质在结肠菌群中的发酵途径如图1所示。一般来说，来自饮食或粘蛋白的复杂碳水化合物被微生物多糖酶和糖苷酶水解为五碳或六碳单糖，然后通过经典的磷酸戊糖(五碳)途径或Embden -Meyerhof-Parnas(六碳)途径进一步分解代谢为丙酮酸。然后丙酮酸(或其前体磷酸烯醇式丙酮酸)通过许多生物化学途径，最终产生SCFAs。在蛋白质发酵的情况下，膳食蛋白质和宿主蛋白质部分逃脱了宿主近段结肠消化，首先通过宿主内肽酶和微生物蛋白酶的结合水解为氨基酸。根据底物的不同，产生的氨基酸经过各种微生物的发酵反应，不仅产生SCFAs和BCFAs，还产生许多其他化合物，包括氨、苯酚和吲哚化合物。
图1 结肠肠道微生物群对微生物可及的碳水化合物和蛋白质的发酵。
a.从宿主黏液中分离出来的膳食纤维和碳水化合物组成微生物可及的碳水化合物，它们被无数细菌多糖酶和糖苷酶水解成单糖。这些单糖通过磷酸戊糖途径或emben - meyerhof -parnas途径(分别针对5碳和6碳底物)分解，首先形成磷酸烯醇丙酮酸(PEP)，最终生成丙酮酸，在此过程中生成2个NADH。b.短链脂肪酸乙酸、丙酸和丁酸可以通过几种途径从PEP或丙酮酸中获得，这些途径由氧化还原当量(NADH和分子H2)和H2和CO2的分压驱动。通过丙酮酸脱羧生成乙酰CoA，然后通过乙酰CoA合成酶(ACS)水解生成醋酸酯，或者通过利用甲酸酯和几个单碳循环中间体的阶梯式Wood–Ljungdahl途径从二氧化碳中生成醋酸酯。丙酸盐由PEP通过包含NADH脱氢酶和富马酸还原酶的原始厌氧电子传递链生成，或通过丙烯酸酯途径还原乳酸生成。丁酸盐是通过压缩两个半个乙酰CoA形成丁酰CoA，然后通过经典途径转化为磷酸转丁酸酶和丁酸激酶，或者一个最近发现的替代途径,外部使用派生的醋酸丁酸生成酯和乙酰CoA，并且实际上在人类肠道微生物群中其主导地位高于经典途径。c.从宿主(黏液和肠道分泌的酶)和饮食来源蛋白质的发酵(灰色单元)促进产生醋酸盐(Ac)、丙酸盐(Pr)和丁酸盐(Bu)，以及少量的鸟氨酸(Orn)、瓜氨酸(Cit)、甲胺(MA)、酚类化合物(Ph)、苯乙酸盐(PA)和吲哚乙酸盐(IAA)。支链氨基酸缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸形成支链脂肪酸异丁酸(isoBu)、2-甲基丁酸(2-meBu)和异戊酸酯(isoVal)。这些化合物中的大多数是通过异位氨基酸分解代谢途径产生的，但酪氨酸也经历快速的同化代谢(assim)，而脯氨酸似乎是一种利用不完全的发酵底物(标记为“-”)28。CFeSP，铁硫蛋白;' H2 '表示反应中需要两个电子和两个质子；MMA，甲基丙二酸；OAA，草酰乙酸；THF，四氢呋喃。
2.2 受环境、宿主和生物化学因素的调节
SCFAs的产生是饮食、微生物群落组成和宿主因子的功能。饮食中的宏量营养素组成(即碳水化合物、蛋白质和脂肪的比例)决定了微生物群可发酵底物的数量和来源，是微生物结构和功能的主要驱动因素。微生物对膳食纤维的反应是高度个性化的，可能取决于某些“关键”物种的存在。也有大量的数据显示差异SCFA生产膳食纤维的函数类型和最近的一个小的随机对照试验表明,尽管个性化的反应，由三个结构不同的抗性淀粉引起对微生物组成和SCFA生产人类的影响是一致的。厚壁菌门和放线菌门的成员是对MACs可利用度变化的首要反应者，通常在纤维降解中占据更特殊的角色。相比之下，多形拟杆菌等细菌可以改变它们的转录组来消化粘液，而不是饮食的MACs。此外，多形拟杆菌还可以诱导宿主产生含岩藻糖的聚糖作为可发酵的底物。表1列出了微生物发酵产物、相关途径和微生物生产者。
表1 肠道微生物发酵产物，碳水化合物、蛋白质和膳食多酚
高MAC饮食通常与增加肠道微生物多样性和SCFA产量有关。当膳食纤维受到限制时，微生物群转向发酵不利的底物，即膳食和内源性蛋白质和膳食脂肪，导致SCFA含量降低和不良健康结果。在短短24小时内宏量营养素的转换，微生物群落组成已经发生变化，反映了碳水化合物和蛋白质的主要利用之间的平衡。在老鼠中，给低MACs的西方饮食诱导微生物群落结构的变化在第一代鼠中大都是可逆的，但这个饮食在多个世代延续后，几个微生物物种灭绝，在接下来的世代中这种情况恶化(即失去了更多物种)，在恢复一个更高的MAC饮食后，灭绝的微生物并没有再次出现，该过程不可逆。在人类中也观察到类似的饮食反应，特别是工业化和/或移民，其中一项研究将非西方国家的移民与微生物多样性和功能的丧失联系起来，而在美国生活的时间和人口的增加使微生物多样性和功能的丧失更为严重。值得注意的是，858只白鼠25独特的饮食的计算机建模数据表明，除了食物的总能量密度，饮食含氮化合物可利用度及其对碳水化合物竞争的影响，而不是碳水化合物本身，是微生物群落组装和宿主-菌群交互的关键因素。
除了饮食和宿主因素外，还有微生物发酵的生化驱动因素。当单糖分解为丙酮酸时，每产生两个NADH分子，这些多余的还原等价物被用于驱动额外的生化反应(图1)或通过铁氧化还原蛋白依赖的反应到分子H2中。铁氧化还蛋白的还原是微生物产生SCFA的许多反应背后的驱动力，包括乙酰CoA的羧化生成丙酮酸，以及通过Wood–Ljungdahl途径生成乙酰，否则就会在热力学上被禁止。发酵也会产生CO2和H2(图1)，这两种物质都对SCFA的产生起调节作用，乙酰生成菌和产甲烷菌清除这些产物可进一步提高微生物群的发酵能力。
2.3 SCFAs在哺乳动物宿主的生理作用
SCFAs在宿主健康和疾病中的作用很多，调控越来越多的主机生理生化功能，包括固有的的维护肠粘膜屏障功能，在结肠上皮，粘液，肠道蠕动，肠道激素的分泌(肽YY (PYY组)、5 -羟色胺(5-HT)、缩胆囊素(CCK),抑胃肽(GIP)和胰高血糖素样肽1 (GLP-1))，染色质调控，肠脑轴免疫功能等等水平上。这些小分子有机酸也与越来越多的宿主健康和疾病状态有关，虽然这个列表并不详尽，但它包括一系列心脏代谢疾病，包括动脉粥样硬化、肥胖代谢综合征、2型糖尿病(T2DM)和非酒精性脂肪肝；神经和神经精神障碍，包括帕金森病、阿尔茨海默病、自闭症谱系障碍、焦虑和抑郁；以及肿瘤发生环境中的混合效应。SCFAs的具体效果在很大程度上是由选择性激活G-蛋白偶联受体(GPCRs)或游离脂肪酸受体(FFARs)介导，包括GPR41 (FFAR3) ，GPR42，GPR43 (FFAR2)，GPR81 (HCA1)， GPR91 (SUCNR1)，GPR109A (HCA2)，GPR164 (ORE51E1)和OR51E2 (Olfr78)，尽管他们也有直接作为基质分解代谢和合成代谢途径的额外角色。尽管GPCRs的覆盖范围及其在肠道微生物-宿主信号传递中的作用不在本综述的范围内，但这一广阔的话题最近已被专家进行了综述。
BCFAs在宿主生理中的作用尚不清楚，但其起源的BCAAs最近在肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病中发挥了作用。血浆中BCAA升高与胰岛素抵抗相关的研究跨越多个种族和地理位置，通常共同作为BCAA相关代谢物簇的一部分，包括芳香族氨基酸(苯丙氨酸和酪氨酸)和酰基肉碱，两者都是通过不同的机制反映BCAA超载。BCAAs也可以预测减肥手术和噻唑酮二醇改善葡萄糖稳态的疗效。在另一项研究中，空腹血清BCAA升高与胰岛素抵抗和肠道微生物组相关，肠道微生物组为BCAA合成富集，但为吸收这些化合物而减少。BCAA分解代谢在多种癌症中也会丢失，而BCAAs的饮食摄入与小鼠和人类的癌症风险相关。尽管这些与代谢疾病和癌症有关联，BCAAs在运动补充剂中是越来越受欢迎的添加剂，因为理论上讲，剧烈抵抗训练的效果会减弱。因此，虽然BCAAs的微生物发酵对代谢疾病的影响程度仍有待确定，但改变BCAA库的微生物群落组成和功能可能是重要的病因。2.4 氨基酸及其衍生物
据估计，人类结肠细菌每天可获得5-12克蛋白质物质。尽管有效同化的蛋白质的主机在小肠，在健康志愿者的研究使用呼吸测试或回肠造口术或鼻胃管或直接的抽样调查显示，5-10%的膳食蛋白质是不通过回肠吸收的运输，从而以蛋白质和多肽的形式进入结肠。一旦进入远端肠道，蛋白质和肽有三种可能的命运：被微生物群同化；作为微生物异化代谢的底物，其产物进入宿主门脉循环或作为广泛微生物交互的中间产物；以及在粪便中排泄。肠道微生物群代谢氨基酸的程度很大程度上取决于底物的可利用性和肠道环境。较高的蛋白质(相对于碳水化合物)的细菌发酵率已被报道在较高的结肠pH和低碳水化合物利用率。微生物对蛋白质的降解比碳水化合物产生的SCFA要少得多。此外，有机酸的减少导致了较高的管腔pH值，这反过来改变了微生物群的结构和功能。相比之下，SCFA产生的低管腔pH值被认为抑制了细菌蛋白酶的活性，而可发酵的碳水化合物驱动细菌生长，从而增加了细菌蛋白质的同化，破坏了酵解过程。
到目前为止，由于肠道内微生物含量的复杂性、众多宿主和这些底物代谢途径之间错综复杂的相互依赖关系以及代谢物来源分类(宿主与微生物)的技术限制，对肠道微生物组蛋白降解的研究在一定程度上受到了限制。尽管如此，近几十年来，肠道微生物群从逃避宿主消化的蛋白质和多肽中回收大量能量，从而产生各种生物活性化合物，其中一些具有潜在毒性，包括SCFAs、BCFAs、氨、苯酚、吲哚、胺、硫化物和n -亚硝基化合物。虽然不是本节的重点，发酵的典型氨基酸和形成的主要产物如图1所示，和已知的蛋白水解活性的属列于表1。考虑到底物多样性的程度和降解途径中涉及的复杂的机制，对每种含氮化合物的具体机制的讨论超出了本综述的范围，在许多情况下，仍然是未知的。因此，本节的其余部分将重点列出已知对宿主有影响的生物活性氨基酸衍生物，表1列出了这些化合物和其他化合物。
2.5 宿主-菌群交互中的色氨酸代谢
色氨酸是一种必需的氨基酸，常见的食物如牛奶、奶酪、鱼、香蕉、燕麦、家禽、巧克力和葡萄酒中都含有色氨酸。这种氨基酸特别有趣的地方是，尽管按分子量计算它是最大的经典氨基酸，但就其存在于蛋白质和细胞内的游离氨基酸而言，却是最少的。它也是化学结构最复杂的氨基酸，可以在其结构内的几乎每个原子上进行生化转化，使其成为广泛的各种转化的最佳底物。这些特性使它成为理想的分子之间的领域通信，譬如人类的一些信号分子来自色氨酸，包括血清素和色氨酸。膳食色氨酸在哺乳动物宿主中有几种可能的命运(图2)：犬尿氨酸途径，它产生几种中间产物，最终产生NAD+；血清素在肠嗜铬细胞中的作用途径蛋白质合成；以及由常驻微生物群直接转化为许多衍生物中的一种，包括吲哚，其中有几个是芳基烃受体(AhR)的配体。
图2 色氨酸代谢中宿主-菌群的互作
a.色氨酸通过以下四种途径之一代谢：犬尿氨酸途径、血清素途径、蛋白质合成或直接转化为各种化合物。由肠道菌群调控的途径用蓝色细菌表示，而那些由肠道菌群参与合成的途径用绿色细菌表示。吲哚衍生物的侧链连接在吲哚环的2(红色)或3(蓝色)位置。b.色氨酸代谢产物通过其作为信号分子和毒素的功能调节宿主的各种过程。犬尿氨酸及其衍生物在中枢神经系统和肠道中发挥作用，在神经毒性、粘膜稳态和宿主菌群免疫耐受中发挥作用。犬尿氨酸代谢物的作用是通过GPR35和芳基烃受体(AhR)的信号介导的(假定；仅以超生理浓度的犬尿氨酸为限)。含吲哚化合物在多种宿主组织中有不同的作用，包括调节胰岛素分泌，调节粘膜稳态和免疫，以及肾毒性。色氨酸衍生的单胺，色氨酸和5-羟色胺(5-HT)，分别通过在肠道中的5-羟色胺受体5-HT4R和5-HT3R发出信号，刺激肠道蠕动。肠道内的肠道内分泌细胞通过色氨酸羟化酶1 (TPH1)产生血清素，其表达是由肠道菌群诱导的。这种血清素通过选择性血清素再摄取转运体(SERT)被肠道上皮迅速吸收，并影响肠神经系统(ENS)的发育和信号传递。在外周循环中，血清素调节血管张力，并通过SERT99被血小板吸收。血清素介导血小板功能，并在血小板激活时被释放。绿色箭头表示某个过程的激活，红色箭头表示抑制，黑色箭头表示所有其他关系。AhR配体用红色星号表示。肠上皮内的神经内分泌细胞呈蓝色(肠内分泌细胞)和橙色(L细胞)。GLP-1, 胰高血糖素样肽-1；5-HT3R，3型血清素(5-HT3)受体；5-HT4R，4羟色胺(5-HT4)受体；IA，吲哚丙烯酸；IAA，吲哚乙酸；ILA，吲哚乳酸；IPA，吲哚丙酸；IS，硫酸吲哚酚；KAT，犬尿氨酸转氨酶；PGC-1α，过氧化物酶体增殖活化受体- γ辅活化因子1 α ；PXR，孕烷X受体。
犬尿氨酸途径产生许多不同的化学中间体，统称为“犬尿氨酸”，以及最终产物NAD+。色氨酸转化为犬尿氨酸的限速步骤是吲哚胺2,3-双加氧酶1 (IDO1；免疫和肠上皮细胞) 或色氨酸2,3-双加氧酶(TDO;肝细胞)。肠道菌群是IDO1表达的已知驱动因素，IDO1活性也被证明调节微生物群落组成。这些酶在各种癌症中被高度上调，据认为，一些犬尿氨酸衍生物作为AhR配体被合成，促进细胞迁移和免疫耐受，从而推动癌症进展。除了在宿主体内产生犬尿氨酸外，哺乳动物肠道微生物群的一些成员也具有在该途径中产生各种中间体的基因组能力，而乳酸杆菌、病原菌铜绿假单胞菌和荧光假单胞菌已被证明能够合成这些中间体中的一部分(表1)。
犬尿氨酸的生理效应可以保护或损害宿主健康，根据特定的化合物，靶组织和信号通路(图2)。在中枢神经系统(CNS)喹啉酸和犬尿酸水平，发挥兴奋毒性和神经保护作用，分别发现了特异表达在抑郁和精神分裂症，阿尔茨海默病和亨廷顿病的小鼠模型也与犬尿氨酸通路的缺陷有关。相比之下，在运动过程中调节犬尿氨酸通路可能对运动带来有益的精神影响。在小鼠和人类实验中，运动训练引起PGC-1 α介导的一些犬尿氨酸氨基转移酶(KAT)异构体骨骼肌表达的增加，该异构体将犬尿氨酸转化为犬尿酸，导致循环中犬尿氨酸水平的降低和对应激性抑郁的保护。在肠道中，犬尿氨酸途径代谢物被认为是一种GPR35(犬尿酸受体)激动剂，调节粘膜稳态和宿主-菌群免疫耐受。犬尿氨酸也在人肝癌HepG2细胞系中被证明是一个AhR配体，尽管只是在超生理浓度的情况下。最后，多种犬尿氨酸途径中间体也被证明可以抑制大鼠胰岛素的合成、分泌和信号传导，并且在T2DM患者的尿液中发现了犬尿酸和黄嘌呤酸水平的升高。
5-羟色胺是色氨酸代谢的另一重要产物。5-HT由色氨酸通过两步途径合成，其中限速酶为色氨酸羟化酶(TPH)。该酶有两种异构体，TPH1表达于肠粘膜内的肠嗜铬细胞，TPH2表达于中枢神经系统和肠神经系统的神经元。体内大约90%的5-羟色胺是由肠嗜铬细胞合成的，在生理条件下，它不会穿过血脑屏障。5-HT与特定的5-HT受体结合会引起不同的反应。在中枢神经系统，5-HT是非常重要的在调节情绪、睡眠、食欲和行为，而在外围组织,调节不同的过程,包括肠道蠕动和分泌、炎症、血小板功能、血管张力、骨骼发育以及肠肌丛内Cajal神经元和间质细胞的发育和维持。
肠道菌群已被证明可以诱导Tph1的转录和随后肠道中血清素的产生(表1)。也有有限的证据表明，SCFAs可以诱导内分泌肿瘤BON和RIN14B细胞中Tph1的表达。次生胆汁酸脱氧胆酸(DCA)在以梭状芽孢菌为主的产孢微生物的粪便中含量增加，且与5-羟色胺的产生呈正相关。一些梭状芽孢杆菌可以产生DCA，直肠内注射DCA可以挽救无菌小鼠的5-羟色胺水平。尽管目前还没有证据表明肠道微生物合成5-HT，但一项研究使用基于模块的框架分析了神经活性化合物代谢的微生物途径，并发现近20%的被测微生物基因组具有合成5-HT的潜力。微生物群和选择性5 -羟色胺再摄取抑制剂之间的联系也已被确认，选择性5 -羟色胺再摄取抑制剂是抑郁症和焦虑症的一线治疗方法。不同选择性血清素再摄取抑制剂的处理改变了小鼠体内的微生物群落组成，而黄瘤胃球菌和等脂类阿德列菌削弱了度洛西汀的治疗效果。使用常见的选择性5-羟色胺再摄取抑制剂氟西汀处理也显示可以抑制血红杆菌5-HT转运体(与人类蛋白同源)，影响其生长动力学，导致5-HT浓度升高和孢子形成细菌丰度增加。
吲哚及其衍生物通过控制微生物和宿主生理来调节宿主-微生物区系内环境稳定的各种过程(图2)。这些化合物中有许多是AhR的配体，AhR是一种胞质配体激活的转录因子，在调节免疫反应中发挥作用。虽然许多吲哚衍生物的作用仍然有些不明确，吲哚酚硫酸酯已经涉及到慢性肾病(CKD)的发病机制中，也可能介导已知的疾病的并发症。肠道微生物色氨酸酶将色氨酸转化为吲哚，然后进入宿主门静脉循环，在肝脏中转化为吲哚酰硫酸盐。吲哚氧基硫酸酯由肾脏排出，含量高时对肾脏有毒性。拟杆菌色氨酸酶的遗传操纵已被证明可以在生毒小鼠模型中调节吲哚酰硫酸盐的水平，提示在治疗肾脏疾病中肠道菌群靶向操纵的作用。肠道菌群还能进行大量色氨酸的其他直接转化，这包括多种吲哚衍生物和色氨酸的产生，它们通过激活5-羟色胺4受体(5-HT4R)来刺激结肠运动，并在结肠黏膜中分泌阴离子和液体，这些化合物及其生理效应的例子如图2所示。
近期的研究指出了苯丙氨酸和酪氨酸的衍生物在神经系统疾病，肾脏疾病和CVD中的作用。肠球菌和短乳杆菌的多种菌株可通过保守的酪氨酸脱羧酶（TyrDC）使左旋多巴脱羧，从而在肠道中产生苯丙氨酸或酪氨酸衍生物多巴胺。在哺乳动物宿主中，多巴胺是通过苯丙氨酸通过包括酪氨酸的途径产生的，酪氨酸通过限速酶酪氨酸羟化酶转化为左旋多巴（L-DOPA）。多巴胺是一种神经递质，在控制运动和情绪中具有重要作用，帕金森病是由于大脑黑质中产生多巴胺的神经元的丢失导致多巴胺产生不足而引起的。可以通过宿主芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）在CNS中和外围将L-DOPA转化为多巴胺。然而，周围的多巴胺不能穿越血脑屏障，并且可能引起与运动有关的许多负面影响，这就是为什么在帕金森病治疗期间通常将卡比多巴与L-DOPA一起使用的原因。尽管I-DOPA与卡比多巴并用，但该药物组合的疗效和相关的不良副作用存在很大的异质性，不能仅通过药物代谢的差异来完全解释。然而，最近的证据表明肠道菌群可以使L-DOPA脱羧成多巴胺，粪便肠球菌的聚集和/或tyrDC的微生物组的富集与帕金森病患者复杂菌群的多巴胺代谢相关，这为这种异质性提供了可能的解释。并开辟了治疗疾病的新途径。
CKD可能发展为终末期肾脏疾病（肾衰竭），与微生物群功能的改变和微生物群来源的肾脏毒素的积累有关，细胞废物（包括含氮化合物）的代谢和排泄是肾脏的主要生理功能。随着疾病期间肾脏功能的下降，尿素和其他废物积聚在血液中，从而促进这些化合物从血液转移到肠道。因此，随着CKD的进行，远端肠道成为尿素排泄的主要部位，这改变了管腔内环境（pH和碳水化合物与蛋白质对脂肪的底物比率）和微生物生态。
几项早期的小鼠研究指出了微生物代谢产物在CKD中的作用。无菌肾病小鼠比常规饲养的小鼠存活时间长得多，并且两种独特的CKD小鼠模型在饲养无病菌时具有减毒的表型。此外，一项早期的血浆代谢组学研究表明，小鼠中存在几种微生物依赖的尿毒症毒素，包括色氨酸衍生物吲哚酚硫酸盐（上文讨论）以及酪氨酸或苯丙氨酸衍生物对甲酚硫酸盐（pCS）和苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）。已知所有这三种依赖微生物群的代谢物均在CKD中积累，并通过诱导肾损害，炎症和纤维化而促进发病机理和疾病进展。这些化合物和涉及的微生物分类的合成在表1中进行了详细说明。值得注意的是，患有CKD的人的心血管不良事件的风险显着增加，这只能部分地通过传统CVD危险因素（例如高血压，糖尿病和新陈代谢）的增加来解释综合征，表明肾毒性微生物群衍生代谢产物的贡献。值得注意的是，硫酸吲哚酚，pCS和PAGln都与整体死亡率相关，而CKD患者的CVD和PAGln最近也被确定为主要不良心血管事件（心肌梗塞，中风或死亡）的独立危险因素。一项研究表明，PAGln通过多个α-肾上腺素和β-肾上腺素GPCR发出信号，从而有助于血小板活化和血栓形成，并且用非选择性β受体阻滞剂普萘洛尔处理血小板前体MEG01细胞可显着减弱对PAGln的反应。此外，血液透析和移植仍然是终末期肾脏疾病的仅有的两种有效疗法，但是许多微生物源的尿毒症毒素不能通过血液透析有效地去除。因此，基于微生物组的治疗方法是增加当前可用于CKD和终末期肾脏疾病患者的现有治疗方式的有吸引力的目标。
3. 胆汁酸是肠道菌群的信使
初级胆汁酸是由肝脏中的胆固醇合成的。在从肝细胞分泌到胆小管之前，胆汁酸先与牛磺酸或甘氨酸结合，然后进入胆囊，在那里它们与磷脂，胆固醇，电解质，矿物质，胆红素，胆绿素和少量蛋白质一起浓缩形成胆汁。进餐后，胆汁会分泌到十二指肠，在那里胆汁盐会乳化膳食脂质和脂溶性维生素，以帮助其吸收。超过95％的胆汁酸池在回肠中被重新吸收，并且每天通过肝门静脉以称为肝肠循环的方式循环回肝脏几次。到达结肠后，胆汁酸会被肠道微生物群广泛代谢和/或排泄。因此，胆汁酸池受到宿主和肠道微生物的无数化学转化，如下文进一步详述。除了初级胆汁酸的直接代谢外，微生物群也调节胆汁酸的合成和摄取。
肝脏中胆汁酸的合成至少需要17种不同的酶，并且通过两种途径进行。经典（或中性）胆汁酸途径的限速步骤是胆固醇7α-羟化酶（CYP7A1），估计占总胆汁酸合成的75％，而替代（或酸性）胆汁酸途径受甾醇27-羟化酶（CYP27A1）调控。经典途径由鹅甾醇12α-羟化酶（CYP8B1）的活性产生鹅脱氧胆酸（CDCA）或胆酸，而替代途径则主要产生CDCA。CYP7A1和CYP27A1而不是CYP8B1，由肠道菌群调节。一旦结合到甘氨酸或牛磺酸上，胆汁盐就可以从肝细胞中分泌出来并储存在胆囊中，直到食物摄入后释放出来。值得注意的是，牛磺酸的合成也受肠道菌群的调节。胆汁酸与苯丙氨酸，酪氨酸和亮氨酸的结合最近也已在小鼠和人类中得到证实，尽管这些新近鉴定的次级胆汁酸结合物在宿主生理中的作用仍然相对未知。在远端小肠和结肠中，胆汁酸会被微生物胆汁盐水解酶解偶联（去除甘氨酸和牛磺酸），从而阻止它们在肠肝循环中的主动摄取。然后，去缀合的胆汁酸经历各种微生物生物转化，通过羟基的脱羟基，差向异构化和氧化作用形成各种各样的刺激胆汁酸，如表2所示。对这些微生物生物转化的机理理解仍然是研究的活跃领域，并且完整直到最近才阐明了形成两个高度丰富的次级胆汁酸（脱氧胆酸（DCA）和石胆酸（LCA））的酶促途径。值得注意的是，小鼠和人之间的胆汁酸库和组织驻留的免疫细胞群均存在关键差异（表2所示），这可能会严重影响鼠胆汁酸研究向人类的翻译。表2 宿主和微生物胆汁酸的化学转化
3.1 通过FXR和TGR5的胆汁酸信号
胆汁酸主要通过两种受体在各种宿主组织中发挥作用：法尼氏X受体（FXR）和G蛋白偶联胆汁酸受体1（GPBAR1；也称为TGR5）-尽管未结合的胆汁酸也显示出其作用信号通过孕烷X受体（PXR），组成型雄激素受体（CAR）和维生素D受体（VDR）传递。尽管在体外与体内共轭胆汁酸是更有效的TGR5激活剂存在一些差异，但众所周知，未结合胆汁酸比其共轭对应的胆汁酸更有效。 TGR5是一种普遍表达的跨膜受体，可通过促进棕色脂肪组织中的细胞内甲状腺激素活性，增加棕色脂肪组织和肌肉中的能量消耗以及诱导胰岛素促泌素GLP-1从肠道L细胞中释放来调节能量平衡。TGR5激活还诱导肠内分泌细胞分化为L细胞。FXR是一种胞浆配体激活的转录因子，可转运至细胞核以诱导靶基因的转录。除了作为胆汁酸合成和运输的调节剂，FXR还具有在调节炎症和免疫力以及肝脏再生中起重要作用，并在肝细胞和胃肠道中诱导保护性细胞反应。FXR的作用非常复杂，并取决于组织类型和环境因素，例如胃旁路术后的饮食和手术解剖。确实，据报道，FXR激动剂和拮抗剂在不同情况下均具有健康益处，尽管肝脏中的FXR活化可预防脂肪变性，但肠FXR可以促进饮食引起的肥胖和脂肪变性，因此有必要进一步研究FXR和肠道菌群对宿主健康的调节作用。
3.2 宿主疾病中微生物介导的胆汁酸谱
在其它某些情况下，胆汁酸与代谢疾病和恶性肿瘤有关。特别地，胆汁酸在减肥手术中受到了广泛的关注，减肥手术是目前长期治疗病态肥胖的最有效方法，并且还可以降低女性的癌症发病率。在体重减轻之前很久，就在术后几天就报道了血糖控制的改善，这表明减肥手术的代谢益处至少部分是由于与体重减轻无关的因素引起的。为了支持这一点，在通过Roux-en-Y胃旁路术或胆胰转移术进行胃旁路手术但未通过垂直袖胃切除术和胃束带术进行胃旁路手术的患者中观察到胆汁酸池的术后改变。重要的是要注意，Roux-en-Y胃旁路术和胆胰转移术都将胆胰汁重新引导至肠道的更远端部分，从而改变了肠道菌群与养分的吸收和相互作用。实际上，已知在Roux-en-Y胃旁路手术后微生物群会改变。这些观察结果表明胆汁酸及其与肠道菌群的相互作用作为减肥手术的积极代谢作用的介质，具有很强的作用。由于减肥手术是导致持续体重减轻的病态肥胖的唯一治疗方法，因此了解其基本机制非常重要。此外，新发现可能导致基于微生物群或基于代谢物的疗法的发展，以增加生活方式介导的或手术减肥的方法。
胆汁酸-微生物组互作也已在肝细胞癌（HCC）和结直肠癌（CRC）中也倍发现。在肥胖引起的肝癌中，次级胆汁酸DCA的微生物产生增加，导致肝星状细胞分泌炎性因子和肿瘤促进因子，从而促进肝癌的发展。然而，用广谱抗生素混合物抑制DCA的产生或减少微生物的生物量，可以预防肥胖引起的HCC。肠道中的次级胆汁酸对FXR的激活可能也是CRC和HCC发病机理中的关键事件。该核受体的激活导致宿主-微生物群的稳态，肠道屏障的维持以及免疫力和炎症的控制，所有这些在肿瘤发生的环境中都很重要。此外，慢性炎症是炎症性肠病和多种肝病的标志，分别增加了发展为CRC或HCC的风险。在两种结肠炎小鼠模型中，用强效的半合成FXR配体奥贝胆酸（OCA）治疗可减轻疾病，包括改善粘膜稳态和减少炎症。还发现在人结肠息肉（约5倍）和结肠腺癌（约10倍）中FXR表达降低，并且在许多人结肠瘤形成研究中已发现FXR表达缺失。进一步强调FXR信号在胃肠道癌的发展中的重要性，已知全身FXR缺陷小鼠会发展出自发性肝肿瘤，该表型可通过恢复FXR表达和随后的胆汁酸稳态来挽救。最近，一项研究还表明，天然杀伤性T细胞积累对梭状芽胞杆菌产生的次级胆汁酸产生反应对肝癌和肝转移瘤有保护作用，而肝癌和肝转移瘤通常来自CRC。最后，在胃肠道疾病背景下的大量临床试验都具有促进炎症发生的慢性炎症的共同特征，这突显了利用胆汁酸信号传导治疗胃肠病和癌症的潜力。
4. 维生素和单碳代谢
尽管主要的主要宏量营养素（碳水化合物，脂肪和蛋白质）的代谢一直是大多数宿主-微生物研究的重点，但肠道菌群也对一碳代谢和维生素的利用（尤其是B维生素）有重大影响（图3））。一碳循环是一种普遍的代谢过程，它依赖于叶酸循环来支持一系列甲基（一碳）转移。一碳中间体促进了许多生物合成过程，包括嘌呤合成，甲基供体的可利用度和通过转硫途径的氧化还原平衡。此外，一碳代谢在胚胎发生，干细胞维持和造血，DNA和组蛋白的甲基化以及免疫细胞功能中具有重要作用。单碳代谢异常和多种癌症，肝脏疾病和CVD相关。鉴于一碳代谢具有遍及所有领域的普遍性质，因此哺乳动物宿主与肠道内微生物之间的交互也会通过一碳中间体发生。因此，本节将侧重于涉及一碳代谢物或辅因子的宿主-微生物群互作的精选案例。
图3 肠道菌群-宿主互作中的一碳代谢
肠道微生物产生的维生素B以及与宿主的胆碱竞争与叶酸循环和蛋氨酸循环，共同影响了甲基供体S-腺苷甲硫氨酸的可用性。组蛋白和DNA甲基转移酶（分别为HMTs和DNMTs）受S-腺苷甲硫氨酸的可利用度调节。宿主及其肠道菌群竞争饮食中的胆碱。从胆碱中肠道微生物合成的三甲胺（TMA）在宿主肝脏中转化为三甲胺-N-氧化物（TMAO），在心血管疾病中具有多种作用。三甲基赖氨酸（TML）是TMA的饮食营养前体，也与不良心血管事件相关。微生物产生的维生素以黄色突出显示，主要的宿主-微生物群共代谢物以粗体显示。酶显示在蓝色框中。FMO1 / 3，含黄素的单加氧酶1/3；MTR，蛋氨酸合酶；SHMT，丝氨酸羟甲基转移酶；THF，四氢叶酸；vit，维生素。
胆碱是一种水溶性化合物，是人类必需的营养素。它有助于许多生物合成反应的细胞膜功能，神经传递和甲基供体可用性。胆碱既是饮食来源的，也是内源性合成的，厌氧肠道微生物利用它来产生三甲胺（TMA）和乙醛（图3）。一旦TMA跨宿主肠道吸收，在肝脏中就会被含有黄素的单加氧酶1和3（FMO1和FMO3）代谢为三甲胺-N-氧化物（TMAO）。这项代谢组学研究是在十年前的一项代谢组学研究中鉴定出的这种肠道微生物-宿主共代谢物，可在多个队列研究和临床试验中确定可预测重大心血管事件（包括中风和心肌梗塞）风险的血清中的小分子代谢物。此后的机制研究表明，TMAO通过诱导多种巨噬细胞受体和血栓形成的标志来促进动脉粥样硬化：动脉内皮细胞的活化和血小板反应性的增强。同位素标记研究还表明，饮食中的左旋肉碱（红肉中丰富的氨基酸衍生物）通过两步微生物群依赖性转化而转化为TMA，导致杂食动物中标记的致动脉粥样硬化TMAO相对素食主义者增加20倍以上。最近，三甲基赖氨酸（TML），TMAO的前体，也已被确定为主要不良心脏事件的预测因子。当与TMAO水平结合使用时，TML改善了患有急性冠脉综合征（包括心肌梗塞和不稳定型心绞痛的术语）的患者的危险分层，甚至能够预测未来严重心脏不良事件的风险，即使其初始水平为肌钙蛋白（一种常见的心肌梗死临床标志物）呈阴性。
维生素B吡哆醇（vitamin B6），叶酸（vitamin B9）和钴胺素（vitamin B12）的利用度对于功能性一碳代谢至关重要（图3）。这些维生素是叶酸和一碳循环中必需的底物或辅助因子。宿主合成的维生素B不足以促进健康，因此维生素B也可从饮食中获得，并由肠道微生物重新合成。就叶酸而言，结肠微生物群的产量实际上超过了饮食摄入量。系统评估256种常见人类肠道细菌的基因组
8种B族维生素（维生素B1，B2，B3，B5，B6，B7，B9和B12）的生物合成能力显示40-65％的人类肠道细菌具有产生部分或全部维生素的基因组潜力，而88％这些预测中的一部分已通过公开数据验证，也有维生素B的肠道微生物代谢的年龄依赖性差异。婴儿肠道微生物群已显示出丰富的叶酸从头生物合成相关基因，而成人微生物群则丰富了与叶酸及其还原形式四氢叶酸代谢有关的基因。尽管这些水溶性维生素的饮食和肠道微生物来源非常丰富，但维生素B缺乏症还是很常见的，可能是由于饮食摄入不足，吸收不良，某些干扰叶酸代谢的药物（甲氨蝶呤和柳氮磺吡啶）和遗传性疾病造成的。缺乏会导致多种疾病，可通过补充治疗并在可能的情况下解决该问题：糙皮病（维生素B3），贫血（维生素B9和B12），小脑共济失调（维生素B12）和认知障碍（维生素B9和B12）。因此，肠道菌群是必需维生素的重要来源，并可能提供治疗维生素缺乏症的新策略，尤其是在由于摄入无关的原因导致维生素缺乏症的情况下。
4. 观点
高度复杂性也许是多组分超生物的唯一最明确的特征，即宿主及其微生物群。尽管存在这种复杂性，但仍然需要在主机健康状况和不断变化的环境中了解这些多方面的交互作用。该领域面临的一些关键挑战包括追踪宿主和微生物群的代谢物来源，由于共代谢广泛，这通常是十分困难。掌握目标代谢物的具体情况和剂量特异性作用的全部范围，这两种物质均被证明有时会发挥相同化合物的相反作用；以及继续开发用于获取和集成多组学数据类型的分析和统计框架，这是对这种广泛复杂的系统进行系统化处理所必需的。
这些因素的组合使以机械方式研究宿主与微生物的相互作用变得颇具挑战性，而这是为能作用于微生物驱动的靶点取得进展所必需的。尽管如此，文献中还是有几个例子，其中以大型人群调查，以代谢物为中心的方法指导了一系列的还原论实验，这些实验产生了对微生物代谢物如何影响宿主健康的机械理解。值得注意的例子包括TMAO，硫酸吲哚酚和ImP，它们分别在不良心血管事件中起作用，分别是CKD和T2DM。在每种情况下，实验方法都有共同点。首先，结合质谱和/或核磁共振光谱的方法在人类发现队列中鉴定了目标代谢物。这使得随后的还原论研究工作涉及微生物组功能能力的计算探索，体外微生物学和生物化学的结合以验证已确定的代谢途径，以及使用培养的细胞和限菌的小鼠模型进行的体内测试以了解特定微生物代谢物如何向宿主细胞和组织发出信号，剂量效应和环境因素的影响，例如饮食，疾病状况和接触药理学因素。这种方法需要将多种高通量发现技术与还原论微生物和生化技术相结合，因此需要具有不同专业知识的团队。尽管这种方法从一开始就看似简单，但值得注意的是，在所有情况下，特定代谢物的发现以及其合成和生理作用的机制在一大段时间内的多个阶段中均会发生。例如，早在1910年首次报道该分子时，由多个小组就产生了围绕TMAO合成及其对宿主生理的影响的大量信息。一个多世纪以后，TMAO在2011年的一项人类队列研究中首次与CVD相关联，2012年从机理上详细介绍了胆碱向TMA的厌氧转化。随后，几个小组对微生物群落组成与TMAO积累之间的关系进行了探索，并由多个小组对TMAO在CVD中的广泛表征进行了研究，从而获得了许多机理性见解，探讨了TMAO作为生物标记物的合成，生理作用和潜在的临床实用性。信息学驱动的方法导致了重大发现。一项研究将元基因组挖掘与合成生物学和常见实验室细菌的遗传操作相结合，以发现抑制特定宿主蛋白酶的微生物衍生代谢产物。代谢组学和代谢组学方法的一个经常出现的特征是多组学集成，它对整个多生物系统有一个全面的认识。尽管不是本综述的重点，但在“综合人类微生物组计划”中针对炎症性肠病的大规模多组学整合是通过公共数据库进行数据整合和共享的一个很好的例子，这两者对于合成和分散沙门氏菌都是必不可少的信息。然而，作者适当地警告说，尽管结果确定了后续表征的宿主和微生物靶标，但仍需要大量工作来确定多组学特征是否可以预测疾病事件，并且尚未确定这些分子事件与疾病相关的时标。最终，这些不同方法的共同目标是识别和验证常见临床样品（例如外周血或尿液）中候选宿主或微生物靶标，这些候选物或微生物靶标会推动新型疾病生物标记物和治疗剂的发展。
粪便微生物菌群移植现在已在多家机构中用于艰难梭菌（以前称为艰难梭菌）感染的复发。然而，除了粪便微生物群移植以外，基于微生物组的疗法还没有准备好用于临床，即使使用粪便微生物群移植，仍然有很多教训需要学习。尽管目前在医学中使用基于微生物组的疗法尚处于起步阶段，但仍有很大的潜力来改变医学的实践，包括遏制抗生素使用的可能性，而且在心血管医学，神经病学和精神病学方向代替已有的治疗方式。随着我们越来越接近在医学中使用基于微生物组的疗法，除安全性外，还必须考虑其他几个因素。鉴于宿主与微生物群相互作用的复杂性，在临床使用之前了解基于微生物组疗法的机制是否必要甚至可行？是否需要开发其他生物标记来监测供体微生物在受体中的稳定植入以及随后的临床疗效？必须采取什么措施来确保大量生产菌群和保证其稳定性，特别是在厌氧微生物暴露于环境氧气的情况下？
对宿主-微生物群反应的个体间和地理差异的认识，日益指向个性化营养和用药。鉴于这种已知的变化，代谢物可能是比微生物分类更强大的临床终点，因为它们是所有组合微生物功能的输出，在某些情况下甚至是宿主-微生物群落的共代谢。因此，微生物群相关代谢产物的定量测量可能会取代种群内部和种群之间的某些已知差异。无论如何，无疑将需要多机构策略和支持来成功和有效地向前发展，无论是在基于人群研究的设计和实施，还是在捕捉存在于不同种群中的宿主-微生物生态系统的全部差异方面。另一个挑战是将这些发现纳入医学实践，尤其是因为许多发现可能仅适用于个体子集。但是，临床上对肠型和代谢型的一致和标准化的鉴定尚待定义和实施。随着全球医疗成本的不断上涨，部分是由于对个性化医学的认可和使用日益增加，将需要不断开发方法和政策，以确保在临床中的可靠性，及时和可持续地应用这些发现。原文链接： https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32968241/