微生物组测序 （主要指 16S 扩增子测序与宏基因组测序） 可提供肠道细菌构成、基因丰度和功能性信息，可以解决「who is there」（那儿有谁） 和「what are they doing」（在干嘛） 的问题。而代谢组学是研究生物体中代谢产物变化的科学，常用研究方法包括：LC/MS（液质联用）、GC/MS（气质联用） 和 NMR（核磁共振），可以解决「what have really happened 」（究竟发生了啥） 的问题。

近年来，随着微生物组学研究的不断发展和持续火热，越来越多的研究者开始将微生物组学和代谢组学联合起来，从物种、基因以及代谢产物等水平共同解释科学问题，更好地理解疾病病变过程及机体内物质的代谢途径，不仅获得了很多催人振奋的研究成果，还有助于发现疾病的生物标记以更进一步应用于临床辅助诊断。

微生物组学和代谢组学具体如何联合应用呢？我们选择了三篇高分的经典文章为您解读。

2017 年 6 月，上海交通大学瑞金医院宁光院士团队在《Nature Medicine》上发表了文章，以汉族青少年作为研究对象，结合了微生物组测序和代谢组学，阐述了中国肥胖人群中肠道菌群的组成及减肥干预后肠道菌群和血清代谢物改变，揭示了氨基酸循环与肥胖之间的关系，并确定了一个对肥胖有抑制作用的微生物–多形拟杆菌 （Bacteroides thetaiotaomicron）。

本研究中融合宏基因组测序、疾病症状观察、血清代谢组学研究 （广筛和靶向）、小鼠喂食模型和数据分析。首先，研究人员对 72 名肥胖者和 79 名苗条对照组志愿者进行了肠道微生物的宏基因组测序，得到了 35024 个与肥胖相关的基因，把这些基因聚类到宏基因组关联群组 （metagenomic linkage groups，MLGs），并鉴定出它们所对应的微生物。结果显示，肥胖人群和苗条人群的肠道微生物存在巨大差异，且肥胖志愿者的肠道微生物多样性和基因数量都相对较低。

肠道微生物种类与循环氨基酸的关联

研究人员分别给正常与高脂饮食的小鼠移植了多形拟杆菌，发现正常小鼠的总脂肪量减少、肌肉量增加；高脂饮食小鼠体重增长速度也有所减慢。

最后，研究人员找到了 23 名接受过袖状胃切除术的志愿者，并收集了他们在刚刚做完手术、术后 1 个月和 3 个月的粪便样本，对肠道微生物以及代谢物等的变化进行了分析。 结果显示，接受手术的志愿者体重迅速减少，高血糖、胰岛素抵抗和炎症反应显著减轻，代谢检测中谷氨酸含量也大大减少。更重要的是，他们肠道中的多形拟杆菌数量随着体重的下降慢慢增加。

2018 年 3 月，上海交通大学赵立平教授和张晨虹博士以及彭永德教授共同在《Science》杂志上发表了研究成果，他们发现，富含膳食纤维的饮食可以通过调节肠道菌群缓解 II 型糖尿病患者的血糖水平。 关键点在于可以分泌出短链脂肪酸 （SFCA） 的特定肠道有益菌株。

本研究中，II 型糖尿病患者被随机分成了 2 组。第一组患者采用常规治疗，第二组患者额外接受高膳食纤维的饮食干预。实验结果显示，第二组患者的临床指标改善更为快速和显著。无菌小鼠移植实验证实了高膳食纤维干预通过影响肠道菌群，降低了糖尿病小鼠的空腹血糖和餐后血糖。      研究人员对干预过程中四个时间点采集的172 个粪便样品进行宏基因组测序，每个样本检测数据量为 10 G，总共获得 4,893,833 个非冗余微生物基因。      测序结果显示，两组患者的肠道菌群有显著差异，说明高膳食纤维显著影响了肠道菌群，而且肠道菌群的结构变化与生理指标的改善之间存在显著相关。基于基因功能和代谢通路的分析显示，干预前后的样本中编码碳水化合物活性酶 CAZy 基因谱存在显著差异。     微生物代谢产生短链脂肪酸的通路上关键基因丰富度也发生了一些变化，代表 butyric-acid 产生的 but 基因仅在高膳食纤维组增加，以 butyryl–coenzyme A 为终点的通路是人体肠道菌群中丰度最高的 butyric-acid 产生通路。

可产生SCFA的活性物质组与2型糖尿病患者的代谢结果相关

2018 年 5 月，美国 NIH 癌症研究中心研究人员发现肠道微生物可以通过代谢产物胆汁酸特异性调节肝脏中一种免疫细胞——自然杀伤 T（NKT）细胞的数量，从而调控肝脏肿瘤的生长，并将成果发表在了《Science》上。

肠道微生物调控肝脏肿瘤生长示意图 

使用广谱抗生素 （ABX，万古霉素+新霉素+西司他丁） 治疗肝癌模型小鼠来消灭某些细菌，会使小鼠的肝脏肿瘤减小减少，并降低肿瘤从肝脏转移到他处的情况，这个现象依赖于 NKT（自然杀伤细胞） 的富集。已知 NKT 是通过 CXCR6 受体接收肝窦内皮细胞 （LSECs） 释放的 CXCL16 信号来杀死具有 CD1d 抗原分子表达的肿瘤细胞。研究人员验证发现，用抗生素处理过的小鼠肝脏中 CXCL16 含量确实显著增加。 已有研究表明肠道微生物对胆汁酸存在修饰作用 （将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸），而肝脏中 CXCL16 的表达水平与初级胆汁酸的水平呈正相关关系，与次级胆汁酸呈负相关。

16S 扩增子测序得到抗生素干预前后的细菌表达谱

到底是哪些肠道微生物起了作用，将初级胆汁酸代谢成为次级胆汁酸？研究人员用 16S 扩增子测序比较了抗生素使用前后的细菌差异表达谱，并结合靶向胆汁酸检测（包括初级与次级胆汁酸）结果，确定 Clostridium species（梭菌属）可以修饰初级胆汁酸变为次级胆汁酸。

最终探明的机制如下：Clostridium Species 被杀死→阻断了胆汁酸的二级结构加工→阻断其运输到肝脏→促进了肝脏 CXCL16 表达→NKT 细胞被招募→肝癌细胞被杀死或者转移被抑制。

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通过对上文三个案例的解析，我们可以很好地解决文章开端我们提的三个问题：

16S 扩增子测序和宏基因组测序的测序结果都可以与代谢组学的检测做联合分析。16S 检测与代谢组学结合主要得到物种类别或者丰度与代谢产物丰度的关联。而宏基因组与代谢组学的关联主要是其代谢通路与基因功能和代谢产物的关联。目前微生物组学和代谢组学的关联分析还没有固定的方法与模式，多数文章所用到的关联分析方法也不尽相同。其中很常见的一个方式是对已经获取的代谢物浓度数据和微生物含量数据进行 Pareto 归一化处理，使用 Pearson 系数计算二者相关系数，通过对应相关系数的强度来判断某代谢物与某微生物间的关联性大小。

氨基酸、短链脂肪酸和胆汁酸这三种代谢产物是和肠道微生物联系最紧密的三种代谢产物，多数微生物就是通过分解肠道内消化吸收物质，产生氨基酸、短链脂肪酸或胆汁酸从而影响肠胃之外的人体功能的。目前以这三种代谢产物与微生物组学做关联分析也占绝大多数。因此正在进行肠道微生物研究的老师可以优先尝试这三种代谢产物的靶向检测。或者，利用代谢组广筛方法，得到差异较大或者丰度较高的代谢产物后决定下一步研究的方向。

在上文的三个案例当中，第一篇是将微生物基因组学和代谢组学相互关联分析，得出其中差异最显著的对应关系，并验证了得出的结论。而后两篇则是用代谢组的检测辅助和验证实验假说。这么来说，第一篇文章是联合分析,而后两篇则是联用。所以说，代谢组学和微生物基因组学的选择是看您的具体研究目的。也并不是说，不做联合分析就不需要做代谢组检测了。

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