玩儿转扩增子测序 泰森多边形揭示为什么就你胖的奥秘

多组学研究经典-

泰森多边形应用实例

除了饮食，肠道微生物在食物代谢吸收的过程中起非常重要的作用。然而，消化过程中的代谢途径和代谢物非常复杂，所以科学家采用多组学方法确定淀粉及代谢物在消化过程中对肠道微生物构成及功能的影响。同时，这些数据为消化过程中微生物的功能发挥提供了详实完整的描述，包括RS饮食与脂肪代谢之间的联系，以及特定肠道微生物与其代谢产物和肠道内产生的蛋白质之间的新联系。

实验设计是这样的：

研究发现：

碳水化合物的摄入，尤其是低碳水化合物的摄入，对肠道微生物群落结构的影响显著。其中高水平抗性电费摄入（HRS）的摄入对糖尿病患者的肠道菌群有积极影响，它能够帮助提高宿主肠道内Firmicute/Bacteroides比率，这表明Firmicutes的成员较Bacteroides的物种有选择性的优势。HRS可影响产丁酸和丙酸的物种相对丰度增加，但HRS摄入对戊酸和异戊酸的水平影响不大，随HRS会增加的特定物种的相对丰度——下面基于泰森多边形分析直观展示了对应日粮中抗性淀粉摄入量水平变化的微生物群落图谱。

此外，利用宏蛋白组技术手段研究宿主与微生物组蛋白的特性。发现抗性淀粉摄入后主要的代谢过程包括：碳水化合物代谢及转运,能量产生及转换，氨基酸代谢及转运以及脂质的代谢（下A图）；对其中细菌合成的蛋白质（下B图）和侧重于碳水化合物代谢及转运的蛋白质相关物种，在随饮食的变化发生变化的物种（下D图）基于泰森多边形分析作图进行注释说明。参与丁酸代谢相关的蛋白质发生了显著改变。蛋白质参与能量的产生和转换过程于HRS的摄入有关。研究表明，肠道群落结构的物种丰度与蛋白质功能之间存在显著关系（下图E）。一些高丰度的物种其相关蛋白质丰度也较高，也有一些物种存在物种丰度与蛋白质丰度相反趋势的状况。蛋白质分析表明，HRS组中参与脂类代谢的蛋白质得到富集。

针对肠道中代谢物的构成及变化，开展多元分析发现，相较于基线水平，HRS组的代谢物水平与基线相比发生显著变化，但基线与LRS组差异不显著（下图A）。HRS与LRS组之间呈现分类趋势（下图B）。代谢数据证实了宿主与微生物之间的脂类代谢过程受到了饮食的影响。含有脂类代谢相关途径的一些代谢途径，其丰度在HRS组中较基线水平都有显著变化（CDE图）。

采用了network将研究数据进行关联（下图A）。结果发现，与基线饮食水平相比，HRS组具有更多显著性特征，很多微生物与脂质，不饱和脂肪酸代谢呈显著相关性。通过网络分析，研究注意到相比于HRS饮食比LRS饮食具有更多的鉴定性特征，这表明HRS饮食对肠道微生物的影响更大，也获得了特定微生物物种与特定蛋白质及代谢物之间的相关关系（A图）。利用OPLS-DA分析方法（B，C图），研究将三个数据集进行整合，区分代谢物,蛋白质和OTU，这三者之间相互关联，并与不同的饮食状况有关——研究发现了很多与HRS相关的特征：一般在HRS中，脂肪腺泡和甾醇酯显著升高，Faecalibacterium 菌的丰度也显著增高。

研究利用多组学数据构建宏观模型用以说明抗性淀粉饮食对肠道微生物组的主要影响及其发挥的主要作用（下图），这是第一次集合多组学数据信息构建的系统发生的多种过程：例如，可以看出参与淀粉降解和代谢的蛋白质在HRS组升高，另一些酶类则可能在HRS组中降低；此外，亦可以看出某些特殊的菌种存在的重要意义。

多组学方法为全面了解宿主与微生物群落的代谢及蛋白表达提供了系统层面的认知。研究发现的不仅仅是已知的短链脂肪酸代谢的影响，还有RS饮食与脂质代谢在宿主和微生物组之间的新关系，指出了肠道微生物种的几个成员与肠道代谢物及蛋白之间的关系。基于多组学数据，泰森多边形构建并直观展示了微生物及宿主，代谢及功能过程之间复杂的相互作用关系，将多维研究一网打尽！

参考文献

Impact of Dietary Resistant Starch on the Human Gut Microbiome, Metaproteome, and Metabolome. mBio， 2019.