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研究材料：肥胖、消瘦参与者的粪便样本

技术方法：代谢组学、宏基因组学、代谢建模

技术路线：

文章摘要图

1.宏基因组学分析结果

作者通过BMI将实验者分为瘦组（19≤BMI≤24.9）和肥胖组(MBI≥30)，两个实验组在脂肪含量、蛋白摄、可溶纤维、多不/饱和脂肪酸、铁离子的摄入都存在显著差异。作者通过宏基因对肥胖组和瘦组的肠道菌群进行分析，发现肥胖组菌群中，Ruminococcus bromii显著富集，而瘦体质组中富集了有益菌如Faecalibacterium prausnitzii和Bifidobacterium longum（图1A）。但两组组内都存在一定的个体差异。将单个样本粪便样本混合后，混合样本依旧显示相似的结果（图1B），但肥胖组混合样本的Firmicutes：Bacteroidets的比例提高暗示着混合样本不能完全替代真是的肠道微生物群落。使用NMDS降维显示（图1C）混合样本聚类较为紧密，更大程度的减少组内的个体差异，可以作为分析膳食纤维干预的稳定起点。图1D-E显示，苹果、果胶、纤维素处理前后24h的细菌组成差异，结果显示苹果果胶在调节肠道微生物群方面表现出最强的效果，在两种体质的微生物群中 Bifidobacterium丰度均显著增加了。NMDS显示膳食纤维对菌群多样性和组成的显著调节作用。

图1 不同供体样本的微生物组成

2.膳食纤维对代谢物的影响

作者比较了膳食纤维对微生物代谢物的影响，支链氨基酸（BCAAs）和支链脂肪酸（BCFAs）方面（图2A-B），瘦型微生物群：在所有条件下（控制、苹果、果胶和纤维素），BCAAs 的浓度显著高于肥胖组；肥胖组在所有条件下，BCFAs 浓度均显著高于瘦组，膳食纤维干预后两类代谢物变化不明显，提示着区分两类代谢物的主要因素是微生物群落的差异而非膳食纤维。肥胖菌群中六酸（HA）的浓度显著高于瘦体质菌群，而瘦体质菌群中的丁酸（BA）浓度则显著高于肥胖菌群。在苹果果胶处理下，瘦体质菌群的丁酸浓度达到最高值，显示果胶对瘦体质菌群的显著益处（图3A-B）。瘦体质菌群的Log(BA/HA)比值显著高于肥胖菌群，因此Log(BA/HA)比值可作为区分瘦体质和肥胖菌群代谢特性的潜在标志物（图3C）。三种膳食纤维处理后，苹果果胶对瘦体质和肥胖菌群均有调节作用，但其对瘦体质菌群的丁酸生成能力具有更显著的促进效果。针对肥胖群落的代谢失衡，特定膳食纤维（如果胶）可能通过调节菌群代谢而提供潜在的干预策略。

图2 特定饲养条件下暴露24小时后，消瘦和肥胖微生物群落中支链氨基酸和支链脂肪酸浓度对比

图3 不同饲养条件对消瘦和肥胖微生物群落中己酸（HA）和丁酸（BA）浓度，以及log(BA/HA)比值的影响

3.膳食纤维对胖瘦体质微生物物种和代谢物的影响

作者对膳食纤维处理前后的微生物组成和代谢物进行差异分析，通过火山图（4A-C）显示，瘦体质菌群在苹果和果胶处理后，有益菌（如Bifidobacterium longum）显著增加，而某些菌种（如Faecalibacterium prausnitzii）减少；肥胖菌群中Akkermansia muciniphila在苹果和果胶处理后显著增加，表明其对肥胖菌群具有调节作用。代谢物方面，瘦组经过苹果处理显著提高了吲哚代谢物；胖组经过果胶处理显著提高了短链脂肪酸（如乙酸、丙酸）的生成，同时减少了某些氨基酸（如甲硫氨酸和酪氨酸）。

图4 膳食纤维补充后，肥胖与消瘦微生物群落中富集的代谢产物与物种与对照组的比较

4.多组学数据整合

作者为了全面解析膳食纤维对菌群及代谢物的影响，研究结合了宏基因组数据和代谢组数据。采用了两种多组学整合分析方法，分别是Procrustes分析和DIABLO分析。Procrustes分析结果显示，瘦体质和肥胖菌群基因功能（KOs）s和代谢组之间表现出高一致性，说明基因功能与代谢产物密切相关。DIABLO整合分析揭示了不同膳食纤维对菌群代谢特性和关键代谢途径的独特影响。苹果处理主要调节多糖代谢途径，增强短链脂肪酸生成；苹果果胶对氨基酸代谢影响显著，特别是增强色氨酸代谢途径，增加吲哚代谢物的生成（如IPA），对肠道健康有益；纤维素处理通过多糖降解相关途径（如PelE）促进短链脂肪酸生成，但影响较为局限（图5A-F）。

图5 饲养条件与肥胖微生物群落之间的判别特征区分

5.Megasphaera sp.的基因挖掘和代谢模型重组

作者通过使用基因组挖掘工具GutSMASH发现Megasphaera sp. MJR8396C的基因组中含有两种与氮代谢和氨基酸发酵相关的基因簇，这表明其可能具有类似于梭菌的代谢特性，能够发酵氨基酸。此外，使用CarveMe工具构建了Megasphaera sp. MJR8396C的基因组规模代谢模型(GSM)。在模拟的肠道环境中，研究了其在24小时内的生长及代谢行为。通过在BacArena中对Megasphaera sp.与Bifidobacterium adolescentis的共培养进行了动态代谢通量分析，揭示了两者之间的交叉喂养机制（图6C-D）：第一种机制：Megasphaera利用由Bifidobacterium产生的富马酸，而Bifidobacterium则从Megasphaera中受益于硫化氢和氨的产生。第二种机制：Megasphaera利用Bifidobacterium分泌的乙酸和乳酸，同时向Bifidobacterium提供甲酸和氨。

图6 模拟24小时分批发酵过程中微生物代谢物变化，以及使用BacArena模拟的两种物种之间的交叉喂养机制