百趣代谢组学分享—研究背景

目前据统计中国糖尿病患者人数达9700万以上，数量达到世界第一。这其中2型糖尿病占到了90%以上。二甲双胍是目前治疗2型糖尿病的一线“明星”药物，因其较少出现低血糖和体重增加副作用而受到广大患者和医生的青睐。代谢组学文献分享，而该药在治疗糖尿病的同时，近些年被发现该药还兼职抗衰老的作用。有研究发现糖尿病患者尤其是2型糖尿病患者在接受二甲双胍的治疗后的生存时间明显的长于其他的糖尿病患者，正常来说糖尿病患者由于疾病的原因会导致短寿8年左右。而二甲双胍是如何起到抗衰老的作用的呢？

发表在Cell上的Host-Microbe-Drug-Nutrient Screen Identifies Bacterial Effectors of Metformin Therapy这篇文章给了我们一个答案。

文中从四路入手详细的讲述了二甲双胍会引起长寿的机制。从线虫到人类，二甲双胍对宿主生理的影响是通过与微生物相互作用方式来调节的。营养这一外在因素在调节宿主和微生物生理以及药物治疗疾病的疗效方面也起着关键作用。代谢组学文献分享，事实上，二甲双胍对宿主的影响也是取决于饮食摄入。然而，微生物以何种营养依赖的方式调节这些效应的确切机制仍不清楚。所以作者设计了一个高通量的四路筛选法（四路：宿主-微生物-药物-营养）为二甲双胍在人类中起到长寿效应提供了一个潜在的解释。接下来跟小编一起来看看作者是怎样研究的吧。

百趣代谢组学分享—研究结果

宿主-微生物-药物-营养

1.筛选出整合药物和营养的信号中枢

由于二甲双胍在秀丽隐杆线虫体内诱导了一种类似于饮食限制的机制来调节机体寿命，因此作者使用转基因报告基因Pacs-2::GFP来验证这一假设，Pacs-2::GFP的表达是饮食限制条件下转录反应的一个指标。正如预测的，从（图1A）中可以看出二甲双胍削弱了细菌生长的能力，延长宿主寿命(图1B)， Pacs-2::GFP表达增加(图1C)，随着二甲双胍浓度的增加而显著变化。代谢组学文献分享，至关重要的是，这些影响的大小因生长营养介质的不同而不同，这表明营养成分在其中起到重要作用。

 

图1

从富集分析结果来看，糖、多肽、氨基酸（如L-丝氨酸）和核苷酸（如腺苷）类的营养物质能够使二甲双胍对细菌生长产生影响（图1E、1F）。

 

图1

为了更好地理解四路筛选中代谢物及通路信号途径与宿主生理调节之间的机制联系，作者对使用和不使用二甲双胍的大肠杆菌进行了蛋白质组学分析(图2A)。二甲双胍的治疗效果与特定的KEGG途径显著相关，如上调三羧酸（TCA）循环、下调糖酵解以及通过精氨酸N-琥珀酰转移酶（AST）途径降解精氨酸(图2B)。代谢组学文献分享，作者还研究了11种细菌转录因子（TFs）在二甲双胍中对细菌生长、宿主代谢以及寿命起到的作用。细菌TFs的缺失并不意味着对二甲双胍产生了耐药性(图2C)。在分析这些细菌TFs对宿主代谢和寿命的影响时发现细菌Crp（C反应蛋白）和ArgR的缺失显著降低了蠕虫Pacs-2::GFP的上调（图2D）。由此得出细菌Crp和ArgR分别是二甲双胍延长宿主寿命所必需的全部和部分物质(图2E、图2F)。

 

图2

2.利用代谢组学方法研究二甲双胍对宿主代谢和寿命的影响

Crp调节着细菌的各种代谢过程。为了了解大肠杆菌中与宿主寿命相关的Crp的代谢变化，利用代谢组学方法来观察代谢产物水平发生的变化。分析显示经二甲双胍处理的大肠杆菌OP50和∆crp的代谢谱之间存在显著差异。为了检测细菌代谢产物在调节宿主生理上的重要性，构建了大肠杆菌突变体。在这些基因缺失株中，只有一个突变了speB基因的株能分解胍丁胺，使宿主Pacs-2::GFP表达显著增加。

代谢组学文献分享，因此，将研究重点放在精氨酸分解代谢上，单或双倍突变株能够积累胍丁胺，诱导宿主Pacs-2::GFP表达。四倍突变株，则不会积累胍丁胺，无法上调Pacs-2::GFP的表达，这意味着是胍丁胺而不是精氨酸起到了调节宿主代谢的作用（图3A）。通过外源性补充进一步研究胍丁胺的作用，胍丁胺延缓了蠕虫的发育和生殖输出，上调了Pacs-2::GFP的表达（图3B），并延长了寿命（图3C）。之后作者使用大肠杆菌OP50的代谢模型来确定营养的补充对胍丁胺产生的影响。代谢模型的结果显示糖不会使细菌胍丁胺的量增加，而核苷酸、氨基酸和多肽会增加细菌胍丁胺的生产能力。这与从四路筛选中得到的数据一致。

 

图3

3.服用二甲双胍治疗的患者，胍丁胺的生成能力增强

为了确定细菌胍丁胺的产生与人类二甲双胍治疗之间是否存在联系，作者调查了二甲双胍治疗的2型糖尿病患者的微生物群中是否有胍丁胺的增加。在1258名人类参与者组成的队列中，二甲双胍治疗的2型糖尿病患者（n=76；图4）的胍丁胺生产能力显著高于未治疗的2型糖尿病患者（n=57）、健康肥胖对照组（n=492）、健康对照组（n=633）。未经治疗的2型糖尿病患者与健康肥胖对照组相比，胍丁胺生产能力没有差异，与健康对照组相比仅略有增加。代谢组学文献分享，瑞典和丹麦队列观察到类似的结果。研究人员还观察到，在队列中添加富氮化合物后，人类肠道微生物群落的胍丁胺生产能力增强。即使在控制体重和年龄等这些外在因素之后，胍丁胺的产生与二甲双胍的治疗状态任然呈现密切相关。

 

图4

4.细菌介导宿主脂肪酸氧化能够延长宿主寿命

作者对秀丽隐杆线虫宿主进行了多组学分析。利用转录组学分析显示诱导二甲双胍的长寿表型的基因中，富集最明显的是过氧化物酶和脂肪酸代谢通路。代谢组学文献分享，研究发现二甲双胍能够上调脂质代谢相关基因（图5A），特异性降低脂滴的大小和丰度（图5B），同时能够增加大肠杆菌OP50上饲养的蠕虫的过氧化物酶的丰富度（图5C）。值得注意的是，这种效应在生长在∆crp细菌上的蠕虫中没有发现。

由此作者对游离脂肪酸和结合脂肪酸分析后，发现二甲双胍显著改变了24种脂肪酸中的16种（图5D）。这些观察结果与细菌Crp介导二甲双胍对宿主脂质代谢影响的关键作用一致。

 

图5

百趣代谢组学分享—总结

作者利用四路筛选方法结合微生物群落建模，捕获二甲双胍诱导的微生物的功能特征，这些特征无论是在蠕虫上还是人类上都是保守的，并为今后研究复杂的宿主-微生物-药物-营养物相互作用提供了实验策略。了解了营养环境如何通过微生物群调节药物作用，并通过代谢模型找到潜在的代谢途径会有助于给患者或有需要的人提供饮食指南，以得到最大的治疗效果和减少胃肠道副作用。代谢组学文献分享，通过药物相互作用协调细菌的代谢可能会为改善宿主健康和寿命的个性化药物提供一条有前途的研发道路。