多發(fā)性硬化癥（MS）是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的慢性自身免疫性疾病，是年輕人非創(chuàng)傷性神經(jīng)功能障礙的主要原因。實驗性自身免疫性腦脊髓炎（EAE）作為MS主要的自身免疫性動物模型，會導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性病變、脫髓鞘、軸突喪失和神經(jīng)功能障礙。哺乳動物和細(xì)菌色氨酸代謝都是MS發(fā)病機(jī)制的重要調(diào)節(jié)因子，但是其中具體的作用機(jī)制、腸道微生物組的致病變化以及與宿主的相互作用尚不清楚。

2022年11月23日，美國佛蒙特大學(xué)的Theresa L. Montgomery,等在Microbiome發(fā)表了題為“Lactobacillus reuteri tryptophan metabolism promotes host susceptibility to CNS autoimmunity”的文章。該研究發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）可以代謝色氨酸產(chǎn)生多種衍生物，這和該菌株基因組上多種可將膳食色氨酸代謝為吲哚衍生物基因有關(guān)。本研究利用色氨酸靶向代謝組學(xué)，通過動物模型和體外試驗發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌代謝產(chǎn)生吲哚衍生物可激活芳香烴受體并增強(qiáng)T細(xì)胞反應(yīng)產(chǎn)生IL-17，增強(qiáng)自身免疫，這為未來進(jìn)一步靶向腸道菌群及其代謝物緩解神經(jīng)炎癥提供了新見解。

文章名稱: Lactobacillus reuteri tryptophan metabolism promotes host susceptibility to CNS autoimmunity

期刊：Microbiome

發(fā)表時間：2022年11月

影響因子：15.5

研究材料：羅伊氏乳桿菌、小鼠血清

組學(xué)技術(shù)：靶向色氨酸代謝組學(xué)

一、研究思路

二、研究結(jié)果

01、乳桿菌的基因組及蛋白組學(xué)特征分析

本研究是基于前期分離得到的三種乳桿菌基礎(chǔ)上，比較分離菌株與同一物種的細(xì)菌菌株之間的基因組和蛋白質(zhì)組學(xué)的差異。通過基因組分析發(fā)現(xiàn)了分別與L. reuteri、L. murinus和 L. johnsonii親緣關(guān)系最近的菌株（圖1D-F）。同時，L. reuteri 和 L. murinus的相似性比任何一種菌株與L. johnsonii的相似性更高（圖1G）。為了推測L. reuteri獨特位點的機(jī)制潛力，使用細(xì)菌泛基因組分析工具（BPGA）將蛋白質(zhì)編碼基因分成核心和附屬內(nèi)容，并繪制到KEGG和COG數(shù)據(jù)庫中（圖H-J）。這些結(jié)果表明乳桿菌分離株內(nèi)代謝潛力的總體差異，以及L. reuteri菌株氨基酸利用率的提高。

圖1乳桿菌的生物信息學(xué)分析 （圖源：Montgomery TL, et al., Microbiome, 2022）

02、體外實驗

本研究利用靶向代謝組學(xué)技術(shù)直接評估L. reuteri產(chǎn)生的代謝物在體外對色氨酸可用性的調(diào)節(jié)。該實驗主要通過與添加或不添加1mM色氨酸的培養(yǎng)基相比，檢測單一培養(yǎng)中L. reuteri顯著調(diào)節(jié)的細(xì)菌和哺乳動物色氨酸代謝物的分布情況（圖3B-C）。并通過具體的數(shù)值反應(yīng)基礎(chǔ)培養(yǎng)基與添加L. reuteri的培養(yǎng)基以及添加與不添加色氨酸之間吲哚-3-乳酸、吲哚-3-乙酸、色胺、吲哚-3-乙醛酸、吲哚-3-乙醛、N-乙酰色氨酸、犬尿氨酸、犬尿胺酸和色氨酸總量的變化（圖3D-L）。綜上所述，L. reuteri可以產(chǎn)生多種新的和已知的色氨酸衍生代謝物，并表明其可能與宿主的犬尿氨酸途徑相競爭。

圖2 L. reuteri產(chǎn)生的色氨酸代謝產(chǎn)物（圖源：Montgomery TL, et al., Microbiome

03、小鼠血清的組學(xué)分析

色氨酸的消耗抑制了中樞神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫，并且首次將色氨酸依賴性EAE發(fā)病機(jī)制與L. reuteri聯(lián)系起來。為了確定色氨酸限制對體內(nèi)系統(tǒng)代謝譜的整體影響，在EAE病程長達(dá)30天后，從喂食低濃度色氨酸和高濃度色氨酸的小鼠中收集血清，并進(jìn)行靶向代謝組分析。小鼠的血清樣本表現(xiàn)出明顯的差異聚類，能夠觀察到許多典型的哺乳動物色氨酸代謝物（圖5A-D）。除了系統(tǒng)性色氨酸相關(guān)代謝物的改變外，喂食低濃度色氨酸的小鼠膽酸相關(guān)代謝物增加，包括4-膽甾醇-3- 1、次?；撬帷⑿苊撗跄懰猁}和6-β-羥基石膽酸鹽（圖5E-H）。此外，喂食低濃度色氨酸的小鼠也缺乏循環(huán)中的煙酰胺，包括N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺、N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺和煙酰胺本身（圖5I-J）。綜上，低色氨酸飲食介導(dǎo)的EAE抑制表現(xiàn)為細(xì)菌和哺乳動物色氨酸代謝物的明顯減少，煙酰胺代謝減少，膽汁酸增加。

圖3 小鼠血清的組學(xué)分析（圖源：Montgomery TL, et al., Microbiome, 2022）

04、甲酚是L. reuteri色氨酸依賴性增強(qiáng)自身免疫易感性的標(biāo)志物

為了了解L. reuteri驅(qū)動的代謝變化如何在飲食色氨酸存在的情況下導(dǎo)致自身免疫傾向，利用靶向代謝組學(xué)分析了飲食干預(yù)一周后B6對照菌群和B6+LJ菌群定植的小鼠的血清。小鼠的血清樣本表現(xiàn)出明顯的差異聚類（圖6A-D）。隨著色氨酸可用性的增加，L. reuteri的定植導(dǎo)致甲酚代謝產(chǎn)物、對甲酚硫酸鹽和對甲酚葡萄糖醛酸鹽的顯著升高，并且這兩種甲酚的豐度也與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)（圖6E-F）。這些結(jié)果表明L. reuteri 調(diào)節(jié)na?ve小鼠循環(huán)代謝產(chǎn)物的水平，甲酚代謝物的色氨酸依賴性增加作為后續(xù)疾病病理學(xué)增強(qiáng)的標(biāo)志。

圖4 甲酚是L. reuteri增強(qiáng)自身免疫傾向的標(biāo)志物

05、色氨酸代謝物之間的不平衡與自身免疫增強(qiáng)有關(guān)

隨后對喂食高濃度色氨酸和低濃度色氨酸的小鼠進(jìn)行了30天EAE療程，并對L. reuteri定植的代謝影響進(jìn)行了評估，從而確定L. reuteri色氨酸依賴性EAE加重相關(guān)的代謝變化。分別喂食低濃度色氨酸和高濃度色氨酸的小鼠中循環(huán)代謝物水平的聚類因L. reuteri的存在而明顯分離（圖7A-D）。在高濃度色氨酸喂養(yǎng)的小鼠中，L. reuteri減少了組氨酸相關(guān)的代謝物，增加了肉毒堿結(jié)合的長鏈脂肪酸和鞘磷脂或含有鞘磷脂的代謝物（圖7L-M）。同時，L. reuteri促進(jìn)多種含咪唑代謝物的色氨酸依賴性增加（圖7E-J）?？傊?，這些數(shù)據(jù)確定L. reuteri驅(qū)動的自身免疫增強(qiáng)與新型色氨酸衍生咪唑的升高以及吲哚和哺乳動物犬尿氨酸代謝物的減少有關(guān)。

圖5 L. reuteri驅(qū)動的自身免疫增強(qiáng)機(jī)制（圖源：Montgomery TL, et al., Microbiom

三、小結(jié)

腸道共生微生物L(fēng). reuteri通過飲食中色氨酸的代謝能夠促進(jìn)實驗性自身免疫病。L. reuteri的基因組和代謝組的分析揭示了色氨酸分解代謝的多樣化代謝庫，并且色氨酸利用度的限制改善了EAE，減少了吲哚衍生物的豐度，并調(diào)節(jié)了CNS靶向的T細(xì)胞反應(yīng)。結(jié)合在MS患者中細(xì)菌色氨酸代謝失調(diào)的新研究，我們的研究證實了這一代謝軸的因果作用，并奠定了機(jī)制基礎(chǔ)。

四、拜譜小結(jié)

色氨酸代謝受腸道微生物直接或間接調(diào)節(jié)，其代謝產(chǎn)物具有免疫、代謝、神經(jīng)調(diào)節(jié)功能。本研究通過L. reuteri的基因組和代謝組的分析揭示了色氨酸分解代謝的多樣化代謝庫。作為一家多組學(xué)技術(shù)服務(wù)公司，拜譜生物專注于為客戶提供完善的多組學(xué)服務(wù)，目前拜譜生物全新推出靶向色氨酸代謝物的檢測，一次性可對36種代謝物進(jìn)行準(zhǔn)確定性定量分析，全面覆蓋3條色氨酸代謝通路，歡迎大家咨詢！

參考文獻(xiàn)：Montgomery TL, Eckstrom K, Lile KH, et al. Lactobacillus reuteri tryptophan metabolism promotes host susceptibility to CNS autoimmunity. Microbiome. 2022;10(1):198. doi: 10.1186/s40168-022-01408-7.