2019-Annual review Microbial Contribution to the Human Metabolome: Implications for Health and Disease

为什么读这篇文章

Dylan Dodd是一个可能可以尝试的PI，主要利用metabolomics technology来研究microbiome
一作的老板是justin sunnenburg
这篇文章重点是将菌群和代谢组

introduction

菌群产生的代谢物主要通过两种方式作用人体的pathology，包括直接在肠道中与gastrointestinal tract细胞相互作用（可以作为barrier function或者immune activation），或者进入循环在身体远端发挥作用
有意思的一个结果，endogenous circulating metabolite在不同个体中是保持相对恒定的，但是microbiota-derived molecules 在个体之间会有一个明显的差异，比如indolepropionic acid
由于microbiome相对比较容易重塑，通过其来调整species的组成有可能来控制drug-like molecules的production
要实现这个目标
- (a) 首先需要理解影响gut microbiome来获取营养的影响因素;
- (b) microbial metabolism的bichemical and genetic factors；
- (c) 宿主代谢和microbiota-derived metabolites的清除机制

The human metabolome in health and disease

2.1 Molecules in Human Blood

plasms和serum在小分子组成上是没法区分的
HMDB包含了4600多个血清代谢物，出去phospholipids和glycerolipids （75%），剩下1000多个代谢物，主要包括hydroxyl acids, aromatic acids, fatty acids, amino acids, steroids and steroid derivatives, biogenic amines, alcohols, and polyols

2.2 Chemical Signatures of Human Health and Disease

通过代谢组学的方式寻找metabolic biomarker用于临床诊断的例子是IEM，inborn errors of metabolism先天性代谢缺陷，比如用GC-MS测量尿液中的有机酸。
其他的诊断代谢物包括，amino acids, acylcarnitine。中等链长的CoA
由于缺乏对高丰度的microbial metabolites在human health以及disease过程中的理解，这些代谢物很大程度上是被忽视的
Bacteroidetes 拟杆菌门, Firmicutes 厚壁菌门大概占据了90%的microbiome，然后被Actinobacteria 放线菌门和Proteobacteria 变形菌门平衡

Thu human microbiome

3.1 Composition and Function of the Human Microbiome

分布上主要在大肠 (large intestine)，其他地方包括小肠中的远端回肠（distal ileum）以及口腔（oral cavity）
这当中最主要的是细菌，然后是古菌(archaea)>10%，真菌（fungi）和真核生物（eukaryotes）会少很多
病毒（viruses）和噬菌体虽然丰度和细菌一样多，但是它们的代谢output似乎要少的多

3.2. Metabolism in an Anaerobic World

肠胃道的远端腔体（lumen of the distal gastrointestinal tract）是一个深度厌氧的环境，因此菌群的代谢和人体的代谢是不同的，而厌氧代谢的过程事实上是古老的，甚至从生命起源就开始。
在富氧环境中（aerobic），O2是一个高氧化还原电位的电子受体，在底物氧化的过程中产生能量。例如氧气存在的条件下，glucose的完整氧化反应的吉布斯自由能是-2870KJ/mol，细胞能够从每个glucose中获得30个ATP （通常30个ATP molecules/mol of glucose)。
厌氧条件下的氧化还原反应涉及到的替代电子受体更接近热力学极限，因此，厌氧微生物anaerobic microbes从生长基质中获取更少的能量（通常2-3个ATP molecules/mol of glucose）
丁酸(Butyrate)是一类人类肠道细菌产生的SCFA，其中主要的原因是利用它作为电子井来还原细胞内的氧化还原状态,同时利用生成途径获取能量。目前有4种，包括pyruvate, glutarate, 4-aminobutyrate, lysine. 其中这些通路集中在一个单步于crotonyl-CoA -> butyryl-CoA。另外一些组织会也会通过对利用丁酸发酵获取能量（丁酸激酶的底物磷酸化）。这些表明gut bacteria厌氧产生的丁酸可以帮助维持氧化还原平衡，并给存储的细胞提供能量。
需要注意的是，丁酸的快速消耗是通过在gut的有氧组织里，通过b-oxidation进行，这表明很多gut bacteria与host的相互作用是通过消耗厌氧代谢的产物来充当能量的来源。
另一个例子是互养关系（syntrophy）, 2个或者更多的organism共同执行一个代谢功能，任意单独一个都不行。经典的例子是Methanobacterium omelianskii。由两个organism组成，其中一个bacterium将ethanol代谢成acetate和hydrogen，另一个methanogen则消耗H2和C02成Methane。H2的存在会影响发酵微生物的生长，methanogen通过消耗H2则可以H2维持在较低水平，帮助细菌生长。类似的，hydrogen transfer的例子，sulfate-reducing bacteria, acetogens, and methanogens都可以通过消耗H2，变成detoxified (e.g. hydrogen sulfide), 周边代谢 metabolized peripherally（e.g. acetate）或者呼吸。通过类似的hyudrogen transfer，以氢气为营养的微生物（hydrogenotrophic microbes）可以对host产生影响。

3.3 Effect of the Microbiome on Circulating Metabolites

微生物通过多种方式影响宿主健康和疾病。其中最主要是通过小分子。因此通过探索gut microbes对the human metabolome贡献了多少。对比HMDB（HMDB 3.0）列举的human feces 代谢物，大概有~6000
理解哪些host metabolites是受到microbiome影响仍然是complicated，包括以下原因：
- diet- and host-derived components成为microbes底物是很少被表征的
目前有3种策略来探究microbe对host metabolome的影响：
- 比较无菌小鼠（GF）和常规饲养的小鼠
- 比较animal model在抗生素pre-和post-exposure
- 结肠完整的human和结肠缺失的human之间的比较
但是目前能够用来评估微生物组对于host metabolome的影响study还很少，因此很难全面评估微生物组是符合对宿主代谢物进行影响的

截止2019年3月，目前已经被报道的microbiome-derived metabolites有52个，显然是被严重低估的
来源于的原因：
- microbiota-derived SCFAs以及branched-chain fatty acids (BCFA)在通常的LC-MS中测不到
- 只有一小部分可以再metabolomics数据中被注释

3.3.1 Short-chain fatty acids

尽管SCFAs在个体的循环代谢组中的比重很小，但这些分子代表了一类最重要的host-microbe metabolic interactions.
肠道微生物的主要底物是内源性的粘膜蛋白(endogenous mucins), glycoproteins, proteins, oligopeptides, and dietary polysaccharides that escape digestion by the host
主要的产物是acetate，propionate，butyrate，比例大概是60:20:20，浓度可以达到100mM (distal GIT)，大概95%被host吸收。总共大概贡献了6-10%的energy
Acetate和Proionate都可以被结肠吸收，然后转移到liver上通过hepatic portal vein。Actate主要被代谢和贡献在糖异生（gluconeogenesis）然后进入TCA循环进入全身，并且是脂质合成的底物（lipogensis）。
Proionate则主要在liver被代谢作为糖异生的底物，其在liver的转换很快，但是绝对值还不清楚。labeling数据表明大概~62%的gut-derived propionate被转化为了glucose
Butyrate更被prefer是近端(proximal) metabolism的底物，更倾向于在colonocytes被吸收和进行b-氧化，消耗O2并给colonocyte提供营养。这种butyrate代谢对于colonocyte已经被研究很多，但是缺乏pathogensis的证据
除了提供能量之外，其他重要作用：GPCR，histone deacetylase activity, fatty acid oxidation, lipolysis

3.3.2 Branched-chain fatty acids.

支链脂肪酸室友amino acid valine, leucine以及isoleucine降解产生的
主要包括异丁酸（isobutyrate）, 丁酸甲酯 (2-methylbutyrate)，异戊酸 (isovalerate), 异己酸 (isocaproate)
在粪便中的浓度要低于SCFA，但是它们的浓度仍然是生理学相关的（high micromolar - low millimolar range）
最近的研究表明BCFAz作用在GIT细胞，并影响host physiology. 例：isovlerate 能够被Gut上的enterochromaffin cells 的chemosensory receptors识别，然后激活神经元。这表明可能存在一种肠神经系统感知代谢物的机制，进而改变gastrointestinal mobility.

3.3.3 Aromatic acids.

目前代谢组学已经发现了很多芳香酸 (Aromatic acid) 是菌群相关的代谢物，大部分包含吲哚 (indoles)，苯酚 (phenols), 苯基 (phenyl)
这些化合物被宿主代谢(e.g. sulfation, glucuronidation, amino acid conjuncation), 很多情况下原始的bacterial product会比较不好推测
底物的主要来源于不易被降解的protein, mucus, 肠道分泌物(intestinal secreations)，脱落上皮细胞(shed epithelial cells)，以及食物多酚 (dietary polyphenols), 植物来源的次生代谢物（fruits, vegetable, coffee, tea, win）
Aromatic amino acid 的代谢会导致尿毒症毒性的indoxy sulfate, p-cresol suilfate (p-CS) 以及phenylacetyglutamine，这些代谢物的水平升高会导致肾功能障碍、CVD
其他类，pCS, 比如indolepropionic acid对于宿主免疫屏障有作用，typtophan metabolites（indoles）对于创伤修复以及免疫稳态
大量的食物来源的polyphenolic compounds化合物可以被microbiome修饰，已经证明其解读和保护功效，从cancer cell line到小鼠model. 但这些小分子对于人体癌症的影响还没有直接证据。
一些urine中的有机酸比如hippuric acid, 3-hydroxyhippuric acid被认为是微生物来源的dietary phenolics代谢产物。虽然在小鼠中有作用，但是目前的研究结果人体中主要是还是内源性的hippuric acid.

3.3.4 Biogenic amines. 生物碱

体内的BA有内源性的，endogenous, dietary, microbial origins，并且有广泛的生物活性。比如histamine,内源性的BA，
Tyramine是食物中的BA影响高血压，一些细菌被发现可以对tyrosine进行脱羧
50% Firmicutes in gut似乎会对tyramine营养不良，需要和其他菌共定植
虽然microbiota-dependent production of BAs已经被发现超过60年，但是其对health的影响很少被理解

3.4 Effect of Microbial Metabolites on Health and Disease

微生物在large intestine的发酵产物通过feces排除或者被人体吸收。其中最关键的一个问题是哪些小分子被吸收并如何与近端和远端的肠道相互作用。
被吸收的小分子通常有两种fate，energy metabolism或者detoxification (phase I和phase II)并被排泄。
Ddetoxification主要发生在liver，然后进入循环系统。这些代谢物在肠道表皮细胞吸收，然后通过portal venous circulation进入到liver.
Phase I主要发生在cytosol和endoplasmic reticulum (ER)。这个主要是增加一个相对活性的极性基团。通常是hydroxyl, sulfhydryl（巯基）, amine
Phase II主要是在极性基团上面（可以是phase I产生的，或者本身存在的）conjungate 一个亲水基团提高小分子的水溶性，帮助肾脏和胆汁转运。常见的是氨基酸的conjugation。这个过程通常包含两步，首先是taurine和gline的conjugation，然后是谷胱甘肽glutathione的conjuction, 通过cystine的硫醚键进行conjugation。以及其他三类的conjugation，包括oxygen，nitrogen, sulfur, glucuronidation, acetylation

3.4.1 p-Cresol sulfate

chronic kidney disease CKD显示出其与微生物产生的蛋白衍生毒素有密切联系。p-cresol sulfate (对羟基苯磺酸) 是一个微生物来源的尿毒素，来源于typrosine。
生成过程是typrosine生成p-hydroxyphenylacetic acid (PHA), 然后氧化脱羧生成p-cresol (PC)。其中前一步有很多菌可以完成，但是脱羧（decarboxylation）这步只有部分菌有，主要是peptostreptococcus, clostridium。最后被吸收在liver被磺化

3.4.2 Irinotecan.

第二个离子是伊立替康，作结直肠癌。在静脉注射之后，会通过phase I生成活化形式SN-38，部分会被葡萄糖醛酸化(gluconidation)生成SN-38G. 通过微生物b-glucuronidases (BG)裂解gluconide, 生成活化形式SN-38.
在intestine中，由细菌激活的SN-38会导致剂量依赖型的腹泻。为了减少这种情况，减少对GIT毒性，Wallace等人设计了GF抑制剂，避免使用了光谱的抗生素
这种抑制microbial enzymes的方式可能是一种很有意义的策略来减少副作用提升治疗效果

3.4.3 Trimethylamine-N-oxide.

TMA进入人体可能是直接通过饮食或者利用microbiota-dependent转化食物来源的choline和carnitine，转化choline和carnitine主要涉及的酶TMA-layse，被cutC和cutD编码
流行病学研究表明serium TMAO level与CVD之间存在很强的相关性，并且有较高的风险比。但是其TMA的前体，choline, carnitine只比TMA少一点，表明可能有其他的风险因子
目前TMAO是因果还是只是一个CVD marker还存在争议。在分子水平上TMAO显示出重要的毒性，但是其细胞受体或靶点均还未知。
目前仍然存在的一些问题无法解释其TMAO对于CVD的因果关系，比如
- 为什么那些大量吃鱼的人（高TMA饮食）的人没有显示出增加的CVD风险
- 因为TMAO 被肾脏清除，并且其水平随着肾脏衰竭而升高，那么 TMAO 升高是否可能是由于肾动脉粥样硬化导致的肾功能下降而不是动脉粥样硬化的原因？

3.4.4 Indoles.

IPA是tryptophan的衍生物，并进入blood循环，其具有清楚自由基的活性从而保护神经的能力而被广泛关注。最近的机制研究标明 IPA特异性地结合pregnane X receptor (PXR)，从而上调了肠道细胞上调节intenstinal permeability （通透性）的gene,下调了necrosis因子 TNF-a 表达。是一个commensal-derived small molecule来条件mucosal immune systems, 是一个IBD的潜在靶点
其他microbially derived indoles则被发现参与了arylhydrocarbon receptor (AhR) 芳香烃受体，如indole, indoxyl sulfate, indoleacetic acid, indolecarboxaldehyde, indoleacetaldehyde, 3-methylindole, trypatamine.通过激活AhR,这些小分子促进组织修复和homeostasis涉及IL-22. 这些共生来源的小分子调节粘膜免疫系统，它们代表了炎症性肠病的潜在重要治疗靶点，其功能独立于 IPA 和 PXR。

3.5 Promoting Health Through the Gut Microbiota

作者设想精确的健康策略将需要测量一个人的代谢组并将这些数据与微生物组的物种水平分析相结合。这些数据将指导策略利用微生物组的相对可塑性来调节微生物代谢物并促进健康。
目前已经发展的策略：
- (a) 改变微生物代谢的底物可用性
- (b) 通过饮食调节物种组成： Devlin等通过小鼠模型验证通过饮食或者培养益生菌可以调节indole-producing microbes
- (c) 使用所谓的“治虫”方法（drugging-the-bug approach）: 如TMA-lyase的抑制剂。这种抑制剂的好处可以选择性的抑制感兴趣的pathway，而不用使用光谱抗生素
- (d) 开发设计益生菌
- (e) 组装微生物群落
- (f) 进行粪便微生物群移植 (fecal microbiota transplant)

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很喜欢这篇文章
真正系统从代谢物的角度去总结了目前菌群对代谢组的贡献，现状
菌群代谢物对疾病的贡献，以及可能的菌群治疗的方式
核心的question：目前已知的菌群代谢物仍然还是很有限的，如果系统地去回答到底菌群对人体的代谢组贡献了多少是一个很有意思的scientic question.

2019 Annual Review Microbial Contribution to the Human Metabolome: Implications for Health and Disease

2019-Annual review Microbial Contribution to the Human Metabolome: Implications for Health and Disease

为什么读这篇文章

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The human metabolome in health and disease

2.1 Molecules in Human Blood

2.2 Chemical Signatures of Human Health and Disease

Thu human microbiome

3.1 Composition and Function of the Human Microbiome

3.2. Metabolism in an Anaerobic World

3.3 Effect of the Microbiome on Circulating Metabolites

3.3.1 Short-chain fatty acids

3.3.2 Branched-chain fatty acids.

3.3.3 Aromatic acids.

3.3.4 Biogenic amines. 生物碱

3.4 Effect of Microbial Metabolites on Health and Disease

3.4.1 p-Cresol sulfate

3.4.2 Irinotecan.

3.4.3 Trimethylamine-N-oxide.

3.4.4 Indoles.

3.5 Promoting Health Through the Gut Microbiota

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