2024-05-30
近年來，隨著科技的飛速發展和創新，研究水平不斷深入并取得了一系列重大突破，單一組學發高分文章愈發困難（除非是創新視角+大樣本量+大數據機器學習+好的結果尚有可能發到IF 10+水平），而多組學之間可以不同維度的相互補充、深度融合、更系統和全面地闡釋科學問題，頻頻出現在CNS等各大頂級類期刊上。多組學，顧名思義，是指多種組學技術聯合研究共同表征復雜的生理調控分子機制，包括基因組、轉錄組、微生物組、蛋白組、代謝組等。 其中微生物組測序與代謝組的聯合研究在過去的幾年里脫穎而出，“拿下”了各個研究領域的科研工作者，也有力促進了多學科的交叉融合，可謂是“上大分的明星組合”。通過在PubMed網站以“microbiome and metabolome”為關鍵詞進行搜索發現，近10年來的發文量呈逐年攀升趨勢；此外，歷年國自然中標項目中“菌群-代謝相關研究”也一直是TOP級熱點。（文末有超實用策略分享） 圖1. 在PubMed網站以“microbiome and metabolome”為關鍵詞的發文量檢索結果（截至2024年5月10日） 圖2. 在LetPub網站以“菌群+代謝物”為關鍵詞的搜索結果 在如此熱度的加持下，不可否認的是這個組合給許多研究領域帶來了重要突破，如醫學領域研究腸道菌群代謝物與疾病作用機制/治療靶點、藥物作用機制與靶點，農業領域植物/土壤微生物與代謝物的組成及其相互作用影響復雜的生物過程和植物對環境的適應能力，環境污染/各種外因如何通過菌群和代謝影響機體生理變化等等。當然，熱度快速上漲之后總有平緩階段，也可以說是“回歸理性”。或許有些人認為目前菌群代謝研究似有“疲感”，但高分研究仍層出不窮，這或許正是沉下心來深挖機制的良好時機。
菌群代謝聯合研究思路
過去的十余年里，菌群代謝聯合已廣泛應用于眾多研究領域，如臨床疾病、藥理藥效、營養健康、農業育種、環境暴露、食品風味、畜牧水產等。本文選取其中三個研究方向的最新代表文章進行詳細的思路解析，希望給您的科研提供實用性且有價值的參考。 1.疾病研究領域 近日，Cell期刊發表“微生物組-代謝組-心血管代謝”相關研究文章，前期研究最多的與心血管疾病（CVD）相關的微生物代謝途徑是三甲胺(TMA)途徑，而本研究通過非靶向代謝組學鎖定到新的代謝途徑，并提到在腸菌-血脂水平關聯中尚有大量未表征的代謝物待挖掘。這篇文章研究思路之清晰，對課題的設計、國自然標書的撰寫具有十足的借鑒學習價值！ 圖3. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.03.014 研究主題：千余例大隊列揭示代謝膽固醇的腸道細菌有益于心血管健康 發表期刊：Cell，IF=64.5 相關技術：宏基因組測序，非靶向代謝組學等 研究思路： 1）從臨床大隊列切入，檢測血液生化指標及代謝組、腸道微生物等分析； 2）菌群和代謝物分別與血液指標關聯分析，鎖定關鍵代謝物/關鍵菌種； 3）綜合分析菌種與代謝物相關性，明確功能菌-代謝物-血液指標的調控軸； 4）多種試驗手段驗證揭示功能菌的作用方式。 圖4. 研究思路 研究小結：本研究基于臨床樣本，利用FHS參與者的糞便宏基因組和非靶向代謝組數據，鑒定了超過16000個微生物與代謝特征之間的關聯，挖掘了與CVD具有相關性的微生物和代謝物，并發現Oscillibacter屬的細菌可以編碼膽固醇代謝酶，能夠代謝腸道中的膽固醇，從而有助于降低膽固醇以及心血管疾病風險。 圖5. 研究概括圖 2.藥物藥效機制研究 2023年，香港中文大學于君教授團隊在胃腸病學頂級學術期刊Gastroenterology發表的一篇文章，其研究思路堪稱“超強范本”，非常值得借鑒學習。 圖6. https://doi.org/10.1053/j.gastro.2023.08.052 研究主題：傳統藥物片仔癀通過恢復腸道微生物群和代謝產物抑制結直腸腫瘤的發生 發表期刊：Gastroenterology，IF=29.4 相關技術：宏基因組測序，非靶向代謝組學，RNA測序等 研究思路： 1）利用小鼠模型證實片仔癀（PZH）可有效抑制結直腸癌（CRC）； 2）探究腸菌及代謝物在PZH抑制CRC的作用中具有什么功能； 3）探究PZH如何改善腸屏障功能，通過什么信號通路達到抑癌作用； 4）除了通過腸道微生物之外，片仔癀中還含有其他直接預防腸癌的成分。 圖7. 研究思路 研究小結：本研究證實PZH調節腸道微生物組成（有益菌增加，致病菌減少），促進有益代謝物的分泌，改善腸道屏障功能，抑制致癌和促炎途徑。除了對腸道菌群的影響外，PZH中活性成分人參皂苷在體外和體內也直接抑制結直腸腫瘤的發生。 圖8. 研究概括圖 3.農學研究領域 2024年，國內外多個科研單位聯合在Nature Communications上在線發表一篇論文，該研究對水稻葉際微生物組進行了大規模深入的評估，揭示了宿主特定代謝物驅動葉際微生物富集的潛在機制。 圖9. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44335-3 研究主題：植物代謝物調控水稻葉際微生物穩態研究 發表期刊：Nature Communications，IF=16.6 相關技術：宏基因組學，代謝組學，16S rRNA擴增子測序等 研究概況：本研究通過將一個大規模的葉際宏基因組數據集與GWAS相結合，確定了水稻基因型與4種細菌目之間的強關聯。隨后通過基因編輯技術，構建基因敲除和過表達植株，明確地將微生物組的變化歸因于水稻葉片中的4-羥基肉桂酸（4-HCA），提供了一種特定植物代謝物與水稻葉際微生物穩態之間的直接聯系，證明OsPAL02相關的4-HCA對Pseudomonadales成員的富集和驅動葉際微生物組的組裝具有重要作用。這提示了精確地了解水稻植物與其葉際微生物之間的關系，為后續新的育種策略開辟可能性。 研究思路： 圖10. 研究思路
微生物組-代謝組聯合研究策略
目前微生物代謝組研究這個體系已基本成熟，研究熱度趨于穩定。水漲船高的態勢下，深挖機制、創新思路、大數據機器學習、抑或是結合其他熱點（如免疫、腫瘤微環境、鐵死亡等等）的高水平研究或將是該組合的未來突破之路；盡管其熱度不再是爆發式的，但相關研究仍存在很多未解之謎，也將是CNS這些頂尖期刊的“常客”。小編通過多篇經典文章思路梳理了以下菌群代謝研究策略供您參考： 圖11. 微生物多組學研究策略 1.在進行微生物多組學研究中，通常會先觀察/檢測到某些外因/內因導致的表型/生化指標差異或某些干預有明顯作用，隨后分別進行16S rRNA/宏基因組測序、代謝組學檢測等，進而探究作用機制與功能驗證。 2.組學技術如何選擇： 1）16S rRNA擴增子測序：可鑒定到屬水平，進行微生物組成分析 2）宏基因組：可鑒定到物種水平，除了微生物組成分析外，還可進行功能分析，比16S獲得的數據量更大，深度挖掘菌種功能信息 3）非靶向代謝組：廣篩發現關鍵差異代謝物，并分析解密其在疾病發生發展、生命機體代謝、宿主-微生物互作等方面的重要作用機制 4）靶向代謝組：針對特定功能通路的關鍵目標代謝物進行靶向驗證和研究，包括菌群相關代謝物膽汁酸、短鏈脂肪酸等，其他代謝物類群，視不同情況進行選擇 注：派森諾可提供相關研究涉及到的所有組學技術，其中非靶向代謝組近期上線的數據庫--PSNGM，包含了醫學、動物、植物、微生物、腸道及中藥等6大分類庫，詳情可點擊文章標題了解（代謝數據庫 | 解碼代謝組學研究的關鍵鑰匙），可為微生物代謝組研究提供強有力的支持。 3.多組學關聯分析往往只能得到差異菌-差異代謝物的相關性，而非因果性。近些年隨著研究的廣度與深度不斷提升，若僅做到相關性這步，大概率只能發到5分左右的文章（除非像上述Cell那樣結合大隊列樣本與大數據深度挖掘以及創新發現）。因此，通常情況下，進一步機制挖掘與功能驗證還是更有機會達到10分水平，甚至IF 20+。 4.機制與功能驗證通常會采用以下技術手段： 1）體內/體外試驗，包括抗生素處理，糞菌/單菌移植；代謝物添加或剝奪；體外糞便（菌來源的樣本）/特定菌培養等，驗證差異菌/代謝物的功能 2）不同細胞株/細胞系水平探究機制與功能驗證 3）動物/植物/細胞等基因敲除/基因過表達，或轉錄水平，探究作用信號通路與關鍵信號因子 4）免疫/炎癥因子水平 5）關鍵代謝酶特異性激動劑/拮抗劑 6）臨床上采用驗證隊列檢測相關指標進一步驗證 7）...... 5. 關于樣本選擇： 1）微生物組：推薦人的糞便/拭子、動物糞便/腸內容物/腸組織、植物組織、土壤等富含微生物的生物樣本 2）代謝組：人的糞便/血清/血漿/組織、動物糞便/腸內容物/腸組織/血清/血漿、植物組織、根系分泌物、土壤、微生物菌體/菌液上清、細胞/培養基等各類生物樣本均可 3）通常多組學聯合分析時，選用同類型樣本的關聯性更強，當然不同類型樣本也可進行關聯分析 4）不同組學對于樣本收集也有不同的策略和注意事項，具體方案歡迎聯系我們進一步溝通
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