文章題目：Metagenome-informed metaproteomics of the human gut microbiome, host, and dietary exposome uncovers signatures of health and inflammatory bowel disease

中文標題：人類腸道微生物組、宿主及飲食暴露組的宏基因組輔助宏蛋白質組學研究揭示健康與炎癥性腸病的特征標志

發表期刊：Cell

影響因子：42.5

發表時間：2025.01

樣本類型：人、小鼠糞便

組學技術：宏基因組測序、宏蛋白組學

研究背景

腸道微生物組、宿主和飲食的復雜相互作用是維持健康或引發疾病的關鍵。然而，傳統研究方法（如宏基因組測序）主要關注微生物的基因組成，無法直接反映其功能活性。蛋白質作為生命活動的直接執行者，其表達水平更能體現微生物和宿主的動態功能狀態。炎癥性腸病（IBD）等腸道疾病與微生物組失調密切相關，但現有診斷標志物（如鈣衛蛋白）敏感性和特異性有限，且缺乏對飲食暴露的客觀評估方法。研究開發了一種結合宏基因組信息的宏蛋白質組學方法MIM（metagenome-informed metaproteomics），該方法能夠同時量化來自飲食、宿主和微生物的蛋白質，以更好地解析宿主-微生物組-飲食相互作用，并為炎癥性腸病（IBD）等腸道微生物組相關疾病的個性化診療開辟了新的可能性。

研究思路

1.腸道微生物組與宿主健康的直接功能聯系

通過對小鼠和人類的研究，科學家們發現腸道微生物組的功能變化與宿主健康之間存在直接的聯系。在炎癥性腸病（IBD）患者中，不僅微生物組的組成發生了變化，其功能也出現了特定的“功能失調”，這種失調表現為某些細菌對炎癥信號的反應受到抑制。

2.飲食、宿主和微生物組的相互作用

通過分析健康個體和IBD患者的糞便樣本，科學家們能夠準確地描繪出飲食暴露的情況。他們發現，在IBD患者中，飲食模式與健康個體存在顯著差異，這種差異可能與疾病的發生和發展有關。

3.早期疾病標志物的發現

通過對IBD患者和健康對照組的比較分析，研究團隊發現了一系列潛在的疾病標志物，這些標志物不僅包括宿主蛋白，還包括微生物蛋白。

研究內容

1. MIM宏蛋白質組工作流程和性能測試

“宏基因組指導下的宏蛋白質組學”（Metagenome-Informed Metaproteomics，MIM）方法主要是利用每次實驗樣本的宏基因組測序結果構建個體化參考數據庫，結合質譜進行蛋白質組檢測和定量的分析方法，以此實現對宿主、腸道微生物及膳食來源蛋白的同步、種水平定量分析。簡單說，就是先用宏基因組獲得菌群信息，再用這些菌的基因信息做參考，結合質譜檢測蛋白，這樣就能精準知道糞便里宿主、細菌和吃進去的食物都有哪些蛋白被表達出來，從而分析它們之間的相互作用。在健康SPF小鼠中，MIM平均檢測到631個宿主蛋白、2656個細菌蛋白和23個膳食蛋白；在人類樣本中，分別為363、3746和58個。通過與其他宏蛋白質組學和宏基因組方法的體外、計算模擬及體內對比，MIM在靈敏度、特異性和分類精度上表現更優，能夠識別>90%的已知細菌蛋白，且準確度高于97%。

基于宏基因組信息的宏蛋白質組學(MIM)在微生物組研究中的應用

2. MIM 評估人類胃腸道(GIT)中的功能性微生物組-宿主相互作用

通過MIM方法分析了健康人群糞便樣本的微生物蛋白質組，與宏基因組相比，MIM檢測到更少但功能活躍的蛋白，且樣本間變異度更低，提示其更能反映功能狀態。MIM發現多數細菌的蛋白豐度與其基因豐度不一致，尤其是分泌蛋白，說明基因難以預測實際蛋白表達。此外，MIM將97%的糞便微生物蛋白精確定位至種水平，而非目標物種的隨機蛋白會嚴重降低分析準確性和效率。在復雜菌群背景下，MIM展現出高于參考數據庫和基因組拼接方法的物種解析力。進一步研究了治療前健康個體和廣譜抗生素處理個體從胃到糞便的多部位樣本。MIM揭示健康腸道共生菌蛋白在不同部位的特異性表達，例如幽門螺桿菌在胃中特異表達致病島蛋白，而鏈球菌糖類代謝蛋白在胃中豐度高于糞便，僅由MIM檢測到。抗生素處理導致條件厭氧菌如大腸桿菌和腸球菌蛋白上升，伴隨蛋白和種類梯度的消失，并產生個體化的抗藥性蛋白譜，這些多無法通過糞便檢測得到。

健康與抗生素干擾下的人類宿主-微生物組MIM景觀

3.飲食暴露組的蛋白質組定量分析

通過MIM分析，研究不僅能夠準確識別飲食來源的蛋白質，為每項分析提供飲食暴露組的定量評估，還展示了其在不同實驗設置下的應用潛力。以控制飲食的小鼠為對象利用MIM分析不同飲食小鼠的糞便樣本宏蛋白質組。純酪蛋白飲食小鼠中專一性的檢出了α-酪蛋白，氨基酸飲食小鼠檢測不到食物來源蛋白信號，豌豆和大米喂食的小鼠中專一性檢出了豌豆和水稻蛋白，MIM宏蛋白質組也能準確區分麩質飲食和非麩質飲食的小鼠。作者在人群樣本中同樣利用MIM宏蛋白質組定量了膳食暴露組。基于MIM的宏蛋白質組營養評估可以準確捕捉基于人群由飲食習慣文化差異驅動的食物暴露差異。來自以色列隊列（n=54）和德國人隊列（n=100）的基于MIM的飲食暴露確定隊列檢測到兩國居民糞便中對含小麥食物的膳食暴露水平相似。

MIM可準確識別小鼠和人類的飲食暴露情況

4. 小鼠腸道自體炎癥過程中宿主-共生菌-飲食交叉調控的功能闡明

利用 MIM 來解析在誘導小鼠急性葡聚糖硫酸鈉炎癥性腸病(IBD)結腸炎模型過程中發生的復雜整體生物相互作用。在 DSS 補充開始后僅 3 天，并且在整個疾病過程中，無論是通過宏基因組還是 MIM 評估，糞便微生物組都與基線相比發生了顯著變化。值得注意的是，MIM 識別出這種急性炎癥環境中的兩種不同的失調模式：一種是“組成性失調”，表現為共生菌豐度的變化，特征為物種特異性蛋白的單向表達變化。這些變化可以通過宏基因組檢測到(粉色)或僅通過 MIM 檢測到(紅色)。此外，還觀察到一種“功能性失調”，它表現為某些物種中一組蛋白質的變化，大多數“管家蛋白”和相關的宏基因組信號保持不變(深紅色)。這種與小鼠腸道自體炎癥相關的功能性失調，特別表現為多種細菌蛋白的減少，主要來自 毛螺菌屬(Lachnospiraceae) 物種。

小鼠患腸道炎癥過程中宿主-微生物組飲食 MIM 變化

5.MIM揭示了人類IBD中宿主-微生物群功能程序的改變

首先評估了以色列一組參與者的糞便MIM譜，這些參與者包括一組新發病的兒童克羅恩病患者(ISR-pCD，n = 26)和與其年齡及性別匹配的健康對照組(ISR-HC，n = 28)。ISR-pCD患者的糞便細菌MIM譜與ISR-HC組顯著不同，其中包括多個細菌代謝途徑的失調，這些途徑在ISR-pCD患者中被發現發生了變化，例如普通擬桿菌(Bacteroides vulgatus)中的糖基降解和鞘氨醇脂代謝。有趣的是，幾種細菌蛋白與臨床參數顯著相關，包括C反應蛋白(C-reactive protein, CRP)、鈣衛蛋白和兒童克羅恩病活動指數(PCDAI)。此外，糞便中ISR-pCD宿主的MIM特征與ISR-HC組明顯不同，并且與免疫系統，特別是中性粒細胞功能和細菌防御相關。

人類IBD中的宿主-微生物群膳食腸道MIM譜

6.糞便飲食蛋白質組評估揭示人類IBD中的與炎癥相關的蛋白質吸收不良

在新發ISR-pCD患兒中，開始實施專一性腸內營養（EEN）后，糞便中膳食蛋白顯著減少，個體間差異明顯，且糞便膳食蛋白數量與炎癥標志物S100A9呈正相關，表明MIM可同時評估飲食依從性與炎癥狀態。進一步分析HMP-Cin（Cincinnati Medical Center的 HMP隊列）和HMP-MGH（Massachusetts General Hospital的HMP 隊列）（人類微生物組計劃（Human Microbiome Project, HMP）兩個IBD隊列，發現僅在HMP-Cin中，IBD患者糞便膳食蛋白總量顯著升高，尤其是伴有上消化道受累的Crohn患者，提示MIM可作為非侵入性手段推測小腸吸收功能異常，具有潛在臨床價值。

基于MIM的非侵入性炎癥性腸病生物標志物

研究結論

該研究采用了基于宏基因組的宏蛋白質組學(metagenome-informed metaproteomics, MIM)方法，在小鼠和人類模型中，以非侵入性方式探索了共生菌和病原菌定植、營養調控以及抗生素干擾期間的物種水平的微生物群-宿主相互作用。同時，糞便MIM精確表征了多種臨床和飲食環境中的營養暴露情況。在小鼠自身炎癥模型和人類炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)研究中，MIM鑒定出“組成性菌群失調(compositional dysbiosis)”及隨之而來的物種特異性“功能性菌群失調(functional dysbiosis)”，該失調由共生菌對炎癥宿主信號的抑制性響應所驅動。更重要的是，同時進行的糞便營養MIM分析可用于確定IBD相關的飲食模式、飲食治療依從性以及小腸消化異常。整體而言，平行化的飲食-細菌-宿主MIM分析能夠從功能角度揭示跨界互作網絡如何塑造胃腸生態，并為與微生物群相關的疾病提供個性化的診斷和治療見解。