圖1

從富集分析結(jié)果來看，糖、多肽、氨基酸（如L-絲氨酸）和核苷酸（如腺苷）類的營養(yǎng)物質(zhì)能夠使二甲雙胍對細(xì)菌生長產(chǎn)生影響（圖1E、1F）。
 

圖1
 

為了更好地理解四路篩選中代謝物及通路信號途徑與宿主生理調(diào)節(jié)之間的機(jī)制聯(lián)系，作者對使用和不使用二甲雙胍的大腸桿菌進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)分析(圖2A)。二甲雙胍的治療效果與特定的KEGG途徑顯著相關(guān)，如上調(diào)三羧酸（TCA）循環(huán)、下調(diào)糖酵解以及通過精氨酸N-琥珀酰轉(zhuǎn)移酶（AST）途徑降解精氨酸(圖2B)。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，作者還研究了11種細(xì)菌轉(zhuǎn)錄因子（TFs）在二甲雙胍中對細(xì)菌生長、宿主代謝以及壽命起到的作用。細(xì)菌TFs的缺失并不意味著對二甲雙胍產(chǎn)生了耐藥性(圖2C)。在分析這些細(xì)菌TFs對宿主代謝和壽命的影響時發(fā)現(xiàn)細(xì)菌Crp（C反應(yīng)蛋白）和ArgR的缺失顯著降低了蠕蟲Pacs-2::GFP的上調(diào)（圖2D）。由此得出細(xì)菌Crp和ArgR分別是二甲雙胍延長宿主壽命所必需的全部和部分物質(zhì)(圖2E、圖2F)。
 

圖2
 

2.利用代謝組學(xué)方法研究二甲雙胍對宿主代謝和壽命的影響
Crp調(diào)節(jié)著細(xì)菌的各種代謝過程。為了了解大腸桿菌中與宿主壽命相關(guān)的Crp的代謝變化，利用代謝組學(xué)方法來觀察代謝產(chǎn)物水平發(fā)生的變化。分析顯示經(jīng)二甲雙胍處理的大腸桿菌OP50和∆crp的代謝譜之間存在顯著差異。為了檢測細(xì)菌代謝產(chǎn)物在調(diào)節(jié)宿主生理上的重要性，構(gòu)建了大腸桿菌突變體。在這些基因缺失株中，只有一個突變了speB基因的株能分解胍丁胺，使宿主Pacs-2::GFP表達(dá)顯著增加。

代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，因此，將研究重點放在精氨酸分解代謝上，單或雙倍突變株能夠積累胍丁胺，誘導(dǎo)宿主Pacs-2::GFP表達(dá)。四倍突變株，則不會積累胍丁胺，無法上調(diào)Pacs-2::GFP的表達(dá)，這意味著是胍丁胺而不是精氨酸起到了調(diào)節(jié)宿主代謝的作用（圖3A）。通過外源性補(bǔ)充進(jìn)一步研究胍丁胺的作用，胍丁胺延緩了蠕蟲的發(fā)育和生殖輸出，上調(diào)了Pacs-2::GFP的表達(dá)（圖3B），并延長了壽命（圖3C）。之后作者使用大腸桿菌OP50的代謝模型來確定營養(yǎng)的補(bǔ)充對胍丁胺產(chǎn)生的影響。代謝模型的結(jié)果顯示糖不會使細(xì)菌胍丁胺的量增加，而核苷酸、氨基酸和多肽會增加細(xì)菌胍丁胺的生產(chǎn)能力。這與從四路篩選中得到的數(shù)據(jù)一致。
 

圖3

3.服用二甲雙胍治療的患者，胍丁胺的生成能力增強(qiáng)
為了確定細(xì)菌胍丁胺的產(chǎn)生與人類二甲雙胍治療之間是否存在聯(lián)系，作者調(diào)查了二甲雙胍治療的2型糖尿病患者的微生物群中是否有胍丁胺的增加。在1258名人類參與者組成的隊列中，二甲雙胍治療的2型糖尿病患者（n=76；圖4）的胍丁胺生產(chǎn)能力顯著高于未治療的2型糖尿病患者（n=57）、健康肥胖對照組（n=492）、健康對照組（n=633）。未經(jīng)治療的2型糖尿病患者與健康肥胖對照組相比，胍丁胺生產(chǎn)能力沒有差異，與健康對照組相比僅略有增加。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，瑞典和丹麥隊列觀察到類似的結(jié)果。研究人員還觀察到，在隊列中添加富氮化合物后，人類腸道微生物群落的胍丁胺生產(chǎn)能力增強(qiáng)。即使在控制體重和年齡等這些外在因素之后，胍丁胺的產(chǎn)生與二甲雙胍的治療狀態(tài)任然呈現(xiàn)密切相關(guān)。
 

圖4

4.細(xì)菌介導(dǎo)宿主脂肪酸氧化能夠延長宿主壽命
作者對秀麗隱桿線蟲宿主進(jìn)行了多組學(xué)分析。利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示誘導(dǎo)二甲雙胍的長壽表型的基因中，富集最明顯的是過氧化物酶和脂肪酸代謝通路。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能夠上調(diào)脂質(zhì)代謝相關(guān)基因（圖5A），特異性降低脂滴的大小和豐度（圖5B），同時能夠增加大腸桿菌OP50上飼養(yǎng)的蠕蟲的過氧化物酶的豐富度（圖5C）。值得注意的是，這種效應(yīng)在生長在∆crp細(xì)菌上的蠕蟲中沒有發(fā)現(xiàn)。

由此作者對游離脂肪酸和結(jié)合脂肪酸分析后，發(fā)現(xiàn)二甲雙胍顯著改變了24種脂肪酸中的16種（圖5D）。這些觀察結(jié)果與細(xì)菌Crp介導(dǎo)二甲雙胍對宿主脂質(zhì)代謝影響的關(guān)鍵作用一致。
 

圖5

百趣代謝組學(xué)分享—總結(jié)
作者利用四路篩選方法結(jié)合微生物群落建模，捕獲二甲雙胍誘導(dǎo)的微生物的功能特征，這些特征無論是在蠕蟲上還是人類上都是保守的，并為今后研究復(fù)雜的宿主-微生物-藥物-營養(yǎng)物相互作用提供了實驗策略。了解了營養(yǎng)環(huán)境如何通過微生物群調(diào)節(jié)藥物作用，并通過代謝模型找到潛在的代謝途徑會有助于給患者或有需要的人提供飲食指南，以得到最大的治療效果和減少胃腸道副作用。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，通過藥物相互作用協(xié)調(diào)細(xì)菌的代謝可能會為改善宿主健康和壽命的個性化藥物提供一條有前途的研發(fā)道路。