Microbiome(IF=15.5)罗伊氏乳杆菌通过介导色氨酸代谢增强自身免疫

多发性硬化症(MS)是一种中枢神经系统(CNS)的慢性自身免疫性疾病,是年轻人非创伤性神经功能障碍的主要原因。实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)作为MS主要的自身免疫性动物模型,会导致中枢神经系统炎性病变、脱髓鞘、轴突丧失和神经功能障碍。哺乳动物和细菌色氨酸代谢都是MS发病机制的重要调节因子,但是其中具体的作用机制、肠道微生物组的致病变化以及与宿主的相互作用尚不清楚。

2022年11月23日,美国佛蒙特大学的Theresa L. Montgomery,等在Microbiome发表了题为“Lactobacillus reuteri tryptophan metabolism promotes host susceptibility to CNS autoimmunity”的文章。该研究发现罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)可以代谢色氨酸产生多种衍生物,这和该菌株基因组上多种可将膳食色氨酸代谢为吲哚衍生物基因有关。本研究利用色氨酸靶向代谢组学,通过动物模型和体外试验发现罗伊氏乳杆菌代谢产生吲哚衍生物可激活芳香烃受体并增强T细胞反应产生IL-17,增强自身免疫,这为未来进一步靶向肠道菌群及其代谢物缓解神经炎症提供了新见解。

Microbiome(IF=15.5)罗伊氏乳杆菌通过介导色氨酸代谢增强自身免疫

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

期刊:Microbiome

发表时间:2022年11月

影响因子:15.5

研究材料:罗伊氏乳杆菌、小鼠血清

组学技术:靶向色氨酸代谢组学





01

研究思路



Microbiome(IF=15.5)罗伊氏乳杆菌通过介导色氨酸代谢增强自身免疫





02

研究结果


01/乳杆菌的基因组及蛋白组学特征分析

本研究是基于前期分离得到的三种乳杆菌基础上,比较分离菌株与同一物种的细菌菌株之间的基因组和蛋白质组学的差异。通过基因组分析发现了分别与L. reuteri、L. murinus和 L. johnsonii亲缘关系最近的菌株(图1D-F)。同时,L. reuteri  L. murinus的相似性比任何一种菌株与L. johnsonii的相似性更高(图1G)。为了推测L. reuteri独特位点的机制潜力,使用细菌泛基因组分析工具(BPGA)将蛋白质编码基因分成核心和附属内容,并绘制到KEGG和COG数据库中(图H-J)。这些结果表明乳杆菌分离株内代谢潜力的总体差异,以及L. reuteri菌株氨基酸利用率的提高。

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图1乳杆菌的生物信息学分析

(图源:Montgomery TL, et al., Microbiome, 2022)


02/体外实验

本研究利用靶向代谢组学技术直接评估L. reuteri产生的代谢物在体外对色氨酸可用性的调节。该实验主要通过与添加或不添加1mM色氨酸的培养基相比,检测单一培养中L. reuteri显著调节的细菌和哺乳动物色氨酸代谢物的分布情况(图3B-C)。并通过具体的数值反应基础培养基与添加L. reuteri的培养基以及添加与不添加色氨酸之间吲哚-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、犬尿胺酸和色氨酸总量的变化(图3D-L)。综上所述,L. reuteri可以产生多种新的和已知的色氨酸衍生代谢物,并表明其可能与宿主的犬尿氨酸途径相竞争。

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图2 L. reuteri产生的色氨酸代谢产物

(图源:Montgomery TL, et al., Microbiome, 2022)


03/小鼠血清的组学分析

色氨酸的消耗抑制了中枢神经系统自身免疫,并且首次将色氨酸依赖性EAE发病机制与L. reuteri联系起来。为了确定色氨酸限制对体内系统代谢谱的整体影响,在EAE病程长达30天后,从喂食低浓度色氨酸和高浓度色氨酸的小鼠中收集血清,并进行靶向代谢组分析。小鼠的血清样本表现出明显的差异聚类,能够观察到许多典型的哺乳动物色氨酸代谢物(图5A-D)。除了系统性色氨酸相关代谢物的改变外,喂食低浓度色氨酸的小鼠胆酸相关代谢物增加,包括4-胆甾醇-3- 1、次牛磺酸、熊脱氧胆酸盐和6-β-羟基石胆酸盐(图5E-H)。此外,喂食低浓度色氨酸的小鼠也缺乏循环中的烟酰胺,包括N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺、N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺和烟酰胺本身(图5I-J)。综上,低色氨酸饮食介导的EAE抑制表现为细菌和哺乳动物色氨酸代谢物的明显减少,烟酰胺代谢减少,胆汁酸增加。

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图3 小鼠血清的组学分析

(图源:Montgomery TL, et al., Microbiome, 2022)


04/甲酚是L. reuteri色氨酸依赖性增强自身免疫易感性的标志物

为了了解L. reuteri驱动的代谢变化如何在饮食色氨酸存在的情况下导致自身免疫倾向,利用靶向代谢组学分析了饮食干预一周后B6对照菌群和B6+LJ菌群定植的小鼠的血清。小鼠的血清样本表现出明显的差异聚类(图6A-D)。随着色氨酸可用性的增加,L. reuteri的定植导致甲酚代谢产物、对甲酚硫酸盐和对甲酚葡萄糖醛酸盐的显著升高,并且这两种甲酚的丰度也与疾病的严重程度相关(图6E-F)。这些结果表明L. reuteri 调节naïve小鼠循环代谢产物的水平,甲酚代谢物的色氨酸依赖性增加作为后续疾病病理学增强的标志。

Microbiome(IF=15.5)罗伊氏乳杆菌通过介导色氨酸代谢增强自身免疫

图4 甲酚是L. reuteri增强自身免疫倾向的标志物

(图源:Montgomery TL, et al., Microbiome, 2022)


05/色氨酸代谢物之间的不平衡与自身免疫增强有关

随后对喂食高浓度色氨酸和低浓度色氨酸的小鼠进行了30天EAE疗程,并对L. reuteri定植的代谢影响进行了评估,从而确定L. reuteri色氨酸依赖性EAE加重相关的代谢变化。分别喂食低浓度色氨酸和高浓度色氨酸的小鼠中循环代谢物水平的聚类因L. reuteri的存在而明显分离(图7A-D)。在高浓度色氨酸喂养的小鼠中,L. reuteri减少了组氨酸相关的代谢物,增加了肉毒碱结合的长链脂肪酸和鞘磷脂或含有鞘磷脂的代谢物(图7L-M)。同时,L. reuteri促进多种含咪唑代谢物的色氨酸依赖性增加(图7E-J)。总之,这些数据确定L. reuteri驱动的自身免疫增强与新型色氨酸衍生咪唑的升高以及吲哚和哺乳动物犬尿氨酸代谢物的减少有关。

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图5 L. reuteri驱动的自身免疫增强机制

(图源:Montgomery TL, et al., Microbiome, 2022)




03

小结


肠道共生微生物L. reuteri通过饮食中色氨酸的代谢能够促进实验性自身免疫病。L. reuteri的基因组和代谢组的分析揭示了色氨酸分解代谢的多样化代谢库,并且色氨酸利用度的限制改善了EAE,减少了吲哚衍生物的丰度,并调节了CNS靶向的T细胞反应。结合在MS患者中细菌色氨酸代谢失调的新研究,我们的研究证实了这一代谢轴的因果作用,并奠定了机制基础。





04

拜谱小结


色氨酸代谢受肠道微生物直接或间接调节,其代谢产物具有免疫、代谢、神经调节功能。本研究通过L. reuteri的基因组和代谢组的分析揭示了色氨酸分解代谢的多样化代谢库。作为一家多组学技术服务公司,拜谱生物专注于为客户提供完善的多组学服务,目前拜谱生物全新推出靶向色氨酸代谢物的检测,一次性可对36种代谢物进行准确定性定量分析,全面覆盖3条色氨酸代谢通路,欢迎大家咨询!

参考文献: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. 


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