Microbiome | 胃肠道微生物组和反刍动物宿主的综合多组学揭示了生命早期发育的代谢适应

       2022年12月，吉林农业大学动物科学技术学院在国际期刊《Microbiome》上发表了一篇题为“Integrated multi-omics of the gastrointestinal microbiome and ruminant host reveals metabolic adaptation underlying early life development”的研究成果。该研究对出生后第1天（出生后）、第42天（断奶前）和第70天（断奶后）的幼年梅花鹿，综合运用了胃肠道宏基因组学、转录组学（胃肠道上皮和肝脏），以及非靶向代谢组学（胃肠道腔、血清、尿液、肝脏）和靶向代谢组学（腰最长肌，LL）的研究方法，对宿主代谢以及微生物组的结构和功能进行联合分析并可视化呈现。文章在更深的分子层面上更好地理解了宿主-微生物组轴之间的相互作用，以及这种相互作用在幼年早期关键阶段是如何发展的。

        反刍动物的胃肠道（GIT）微生物组及其代谢影响在很大程度上左右着宿主的代谢与生长。然而，对于宿主-微生物组轴上发生的双向互作，人们尚未形成完整认知，尤其是在生命早期这一关键发育阶段。在此，文章提出一种整合多组学方法，该方法可同时解析梅花鹿（Cervus nippon）三个关键早期生命阶段中，五个胃肠道区域微生物群的分类学和功能特征，以及肝脏、肌肉、尿液和血清的代谢特征。

        在宿主内部，对血清、尿液和肌肉（腰最长肌）中随时间变化的代谢物分析显示，脂肪酸谱的变化与体重增长同步发生。进一步的宿主转录组学和代谢组学分析表明，脂肪酸β-氧化以及色氨酸和支链氨基酸的代谢在调节肝脏代谢中发挥着重要作用。在胃肠道的不同区域，文章发现，出生后不久，由细菌、病毒和古菌组成的复杂且多样的群落便定植于胃肠道中，而微生物的演替则由核心种群的协作网络驱动。此外，胃肠道挥发性脂肪酸浓度的升高与微生物代谢通路丰度增加相关，其中瘤胃中与甘露糖代谢相关，结肠中与氨基酸代谢相关。不同胃肠道组织间也存在显著的功能差异：瘤胃上皮中，宿主脂肪酸代谢与活性氧相关；小肠和大肠则以强烈的免疫反应为主。最后，文章发现坏死性凋亡可能对回肠上皮发育有促进作用，而凋亡可能对结肠上皮发育有促进作用。

图1 梅花鹿从出生到断奶后的代谢观点和特征

 图2 梅花鹿从出生到断奶后肝脏的整体转录和代谢变化

图3 梅花鹿出生至断奶后瘤胃和结肠的综合代谢观点

        本研究采用了多组学方法，通过对宿主-微生物组轴在不同位点的对比分析，系统性地理解了胃肠道（GIT）微生物组、代谢物、上皮功能与宿主代谢特征之间的关联。作者证明了‌LL（可能指某种组织或部位）中的脂肪酸组成‌随着动物生长发生了显著变化，这一变化在尿液代谢物中也得到了一致反映。进一步的转录组和代谢组分析发现，‌色氨酸和支链氨基酸（BCAAs）‌在肝脏代谢适应过程中起关键作用，并在断奶后发生了显著变化，而断奶后肝脏中的‌脂肪酸β-氧化诱导的胆固醇代谢‌可能增强。宏基因组和代谢组数据在胃肠道不同位点的分析结果如下：（1）记录了出生后胃肠道中迅速定植的多样化微生物群及其区域性影响；（2）揭示了每个胃肠道区域对代谢物谱的约束效应，并识别了特异性变化的代谢物；（3）证明了早期生命中瘤胃和结肠中代谢适应的显著差异。最后，胃肠道上皮转录组数据表明，‌脂肪酸在瘤胃中的重要性‌，以及‌免疫反应对小肠和大肠功能转变的影响‌，并提示‌坏死性凋亡和凋亡‌在协调回肠和结肠从出生到断奶后发育中的潜在作用。总之，本研究为针对胃肠道生态位点及其与宿主在早期生命阶段代谢适应特定关系的干预策略提供了证据，这些策略可能有助于通过优化饲养方案改善幼年反刍动物的健康。