多组学文章借鉴—— 抗生素诱导的微生物组失调通过改变代谢物促进脂质合成

阐明脂质生成和脂肪沉积的机制对控制鸡脂肪过度沉积至关重要。研究表明肠道微生物在调控宿主脂质生成和脂类代谢中发挥了重要作用。但是，我们对肠道微生物在鸡的脂类代谢及其相关机制中的了解非常少。本文作者通过口服抗生素后使用16S rRNA测序联合UHPLC–MS/MS分析初步揭示了该过程中关键微生物和代谢物改变过程。本文于2021年7月28日发表在《metabolites》IF：4.932期刊上。

技术路线如下：

主要实验结果如下：

1、抗生素处理促进鸡的脂质生成

如图1A所示，在抗生素处理3周后，与对照组相比，鸡的体重(BW)、腹脂体重(AFW)、腹脂率(AFR)均显著增高；血清甘油三酯(STG)、高密度脂蛋白(SHDL)、低密度脂蛋白(SLDL)、肝甘油三酯(TG)水平也都显著升高；血清总胆固醇(STC)含量差异不显著，表明抗生素处理可显著促进鸡的脂肪生成。

图1A抗生素处理对鸡脂质生成的影响

2、抗生素处理改变肠道微生物组

在10个样本中总计鉴定到959个OTUs。16S测序的结果中，抗生素处理组的微生物群落多样性显著下降，这从observed_species (Sob)、abundance-based coverage estimators (ACE)、Chao1、Shannon和Simpson指数可以看出(图1B)。提示抗生素处理降低了鸡盲肠菌群的丰富度和均匀度。Rank丰度曲线也显示了丰富度和均匀度的下降(图1C)。beta多样性分析显示，抗生素组与对照组显著分离(图1D-E)。之后，在门和属水平分析微生物种群变化情况，如图1F和2A所示，在门水平上，对照组的优势菌为厚壁菌门(45.4%)和拟杆菌门(43.7%)，但在抗生素处理后，它们的丰度都显著下降，而Proteobacteria丰度显著增加，其也是抗生素处理组的优势菌群（90.4%）。在属水平（图1F和2B），Bacteroides是对照组优势菌群，但抗生素素处理后其优势被消除，而Escherichia-Shigella和Klebsiella菌急剧增加，成为抗生素组的优势菌群。总之，口服抗生素显著改变了鸡盲肠微生物组。

图1B-F抗生素处理对鸡盲肠微生物组的影响

3、抗生素处理改变盲肠代谢组

总计检测到19037个代谢物峰，包括9907个阳离子峰和9130个阴离子峰。PCA分析和热图分析基于所有的峰，结果显示对照组和NFD-1出离与实验中因而在后续分析这被剔除，并且可以发现对照组和实验中显著分离，表明抗生素处理显著改变了盲肠代谢组。

图2 抗生素处理对盲肠代谢组和微生物组的影响

4、鉴定差异分类群

如图3所示，作者在门水平和属水平展示了对照组（NFD）和抗生素组（NFDA）的差异菌群。门水平，抗生素组包括Proteobacteria显著增加，Frimicutes，Bacteroidetes和Actinobacteria显著下降。在属水平则鉴定到15个显著改变的菌群，但是只有3个是在抗生素组显著增加，包括Escherichia-Shigella，Klebsiella和Proteus，其余的12个则都显著下降，如Bacteroides和Alistips。

图3对照组和抗生素处理组间在门和属水平上的差异分类群

5、预测盲肠微生物群的功能

如图4所示，使用Tax4Fun预测微生物群的功能，结果显示碳代谢和脂质代谢相关菌群显著富集，而氨基酸代谢和核苷酸代谢相关菌群在抗生素处理后丢失。

图4预测盲肠微生物群的功能

6、差异代谢物的鉴定和功能分析

总计鉴定到1744个差异代谢物，其中799个代谢物显著富集，而945个代谢物被删除以响应抗生素处理（图5A, B）。KEGG显示1744个差异代谢物被注释到23个代谢途径，其中有15个是代谢相关途径如氨基酸代谢和脂质代谢（图5C）。

图5差异代谢物的鉴定和功能分析

7、盲肠微生物组和鸡脂质生成相关

为了探究盲肠微生物组变化和鸡脂质合成的关联，作者分析了种群丰度矩阵（门和属水平）和脂质相关指标的相关性。如图6A所示，在门水平，盲肠微生物组和AFR，STG，SHDL，SKDK和KTG显著相关。在属水平，盲肠微生物组和AFW，AFR，BW，LTG，STG，SHDL和SLDL显著相关。

作者计算了不同分类群（门和属水平）和脂质相关指标的皮尔逊相关系数以进一步探究盲肠微生物组和鸡脂质生成的关系。如图6B所示，在门水平，Proteobacteria丰度和所有脂质相关指标正相关除了STC，Frimicutes，Bacteroidetes和Actinobacteria和大多数脂质相关指标负相关；在属水平，Escherichia-Shigella丰度和所有脂质相关指标正相关，Klebsiella丰度和所有脂质相关指标正相关除了STC，Proteus丰度和BW，AFW，AFR，STG和STC正相关。相反地，属水平的余下12个菌群，和大多数脂质合成指标负相关（图6C）。

图6盲肠微生物组和鸡脂质生成相关

8、微生物组和代谢组联合分析

为了探究是否改变的肠道微生物组可以调节鸡的脂质合成通过影响盲肠代谢物，作者对差异菌群和代谢物进行了联合分析。在门水平，4个差异菌群与244个差异代谢物显著相关，如图7所示，Proteobacteria门和103个差异代谢物正相关，和10个差异代谢物负相关。Bacteroidetes分别和93个和5个差异代谢物正相关或负相关。Frimicutes分别和110个和6个差异代谢物正相关或负相关。Actinobacteria分别和103个和11个差异代谢物正相关或负相关。

图7门水平差异菌群和差异代谢物的相关性分析

在属水平，15个差异菌群和304个差异代谢物显著相关，其中，如图8所示，三个在抗生素处理后显著富集的菌群，包括Escherichia-Shigella，Klebsiella和Proteus和194个代谢物正相关20和代谢物负相关。余下12个代谢物和238个差异代谢物正相关，和60个差异代谢物负相关（图9）。

图8属水平Escherichia-Shigella，Klebsiella和Proteus和差异代谢物的相关性

图9属水平在抗生素处理后显著减少的12个菌群与差异代谢物的相关性

9、网络图中代谢物的集富集分析

为了鉴定链接鸡盲肠微生物群与脂质生成之间的代谢物，进行了代谢物富集分析。在门水平，有三个代谢物集显著富集，包括obesity，myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome和unclassified Ibd （图10A）。有4个代谢物在属水平显著富集，包括unclassified Ibd，encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome，gout和obesity（图10B）。很显然，肥胖代谢物集在门水平和属水平均显著富集。肥胖代谢物集涉及三种差异代谢物：L-glutamic acid，pantothenic acid， N-acetyl-L-aspartic acid。L-glutamic acid和pantothenic acid丰度在抗生素处理后显著增加，并与Proteobacteria门和Escherichia-Shigella属的丰度呈极显著正相关，和Klebsiella属的丰度呈显著负相关（图10C-E）。L-glutamic acid丰度和Proteus属呈极显著正相关（图10D）。

图10鉴定可以连接盲肠微生物组和脂质合成的关键代谢物

参考文献：

Zhang Tao., Ding Hao., Chen Lan., Lin Yueyue., Gong Yongshuang., Pan Zhiming., Zhang Genxi., Xie Kaizhou., Dai Guojun., Wang Jinyu.(2021). Antibiotic-Induced Dysbiosis of Microbiota Promotes Chicken Lipogenesis by Altering Metabolomics in the Cecum. Metabolites, 11(8), undefined. doi:10.3390/metabo11080487