수컷 쥐 장의 대사 환경은 미생물 활동에 의해 결정되는 다양한 틈새를 식별합니다

자연 대사(2023)이 기사 인용

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포유류 장의 뚜렷한 틈새에는 다양한 미생물군이 존재하지만 장내 대사에 대한 공간적 변화의 기여는 불분명합니다. 여기에 우리는 건강한 식민지화되고 무균 수컷 쥐의 장을 따라 세로 대사체의 지도를 제시합니다. 이 지도를 통해 우리는 소장의 아미노산에서 대장의 유기산, 비타민 및 뉴클레오티드로의 일반적인 변화를 보여줍니다. 우리는 식민지화된 쥐와 무균 쥐의 대사 지형을 비교하여 다양한 틈새에 있는 많은 대사산물의 기원을 풀고 어떤 경우에는 기본 과정을 추론하거나 생산 종을 식별할 수 있습니다. 소장의 대사적 틈새에 대한 알려진 식이의 영향 외에도, 뚜렷한 공간 패턴은 소장의 대사체에 대한 특정 미생물의 영향을 시사합니다. 따라서 우리는 장내 대사 지도를 제시하고 생체 활성 화합물의 공간적 발생을 숙주 또는 미생물 대사와 연결하는 기초를 제공하는 대사 산물-미생물 연관성을 식별합니다.

포유류의 장에는 다양한 미생물이 서식하며, 이를 장내 미생물총이라고 합니다1,2. 미생물군은 소화 및 면역 기능에 기여하며, 미생물군의 파괴는 여러 질병과 관련이 있습니다3,4. 소화 기능과 감염 예방(또는 유발) 외에도 장내 미생물은 숙주와 다른 미생물에 영향을 미치는 생리 활성 화합물의 공급원이기도 합니다3. 소장과 대장은 생리학적으로 가장 뚜렷하며 분류군4,5의 보존된 구성에 의해 식민지화됩니다. 십이지장은 식이 영양소, 췌담도 및 위 분비물을 수용합니다. 조직 투과성, 흡수성 수송 단백질, pH, 조절 신호 및 면역 반응의 지역적 차이는 소장 내의 공장 및 회장 하위 영역을 추가로 구분합니다5. 동물 모델의 공동체 프로파일링은 다양한 장 영역에서 뚜렷한 미생물군 구성을 입증했습니다4,6,7. 이러한 종단적 차이 외에도 내강 함량과 장 점액 사이의 생리학 및 미생물군 구성과 관련하여 상당한 차이가 있습니다8. 후자는 특히 결장에서 조밀한 매트릭스로, 내강과 미생물총에서 장 내벽 상피 세포를 분리하는 교차 결합된 뮤신 당단백질로 구성됩니다9. 두꺼운 외부 결장 점액층은 또한 뮤신 분해에 특화된 미생물의 서식지이자 영양원을 나타냅니다8,10. 장 점액을 채우고 분해하는 클로스트리디아(Clostridia), 대장에서 특징적인 단쇄 지방산이나 아미노산 유도체를 생성하는 특정 퍼미쿠테스(Firmicutes), 다양한 장 부위에서 특정 비타민을 생성하는 박테리아 등을 통해 소화관의 기능적 환경에 대한 통찰력이 높아지고 있습니다3 ,11,12,13,14,15.

분류학적 구성과 대사 활동의 생물지리학적 차이는 대변 샘플을 사용하여 평가할 수 없습니다. 왜냐하면 설명력이 한계 내에서 원위 결장으로 제한될 가능성이 있기 때문입니다4,16. 이는 특히 식단 유입, 빠른 전환 시간, 소화 효소 및 항균제 분비가 장 과정을 지배하고 미생물군집을 형성하는 소장의 경우에 해당됩니다6,17,18. 인과 관계를 향해 나아가기 위해서는 다양한 장내 하위 영역의 박테리아 개체군과 대사 과정에 대한 자세한 정보가 대사산물의 기원을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 대부분의 식이 성분은 소장에서 대사 및 흡수되어 근위 대장 미생물군에 사용할 수 있는 소량의 섭취된 단백질과 지질뿐만 아니라 섬유질과 생체 이물 물질도 남습니다17. 따라서 소장에도 존재하는 미생물 기원의 많은 생리 활성 화합물을 포함하여 미생물 활동의 대부분은 대변 샘플에서는 명백하지 않습니다. 인간 소장의 미생물 활동을 분석하려면 내시경 검사 전 수술, 매우 광범위한 구강 삽관 또는 퍼지가 필요합니다. 결과적으로, 동물 모델은 장 전체를 조사하는 데 사용됩니다. 최근 사례에서는 집락화된 쥐의 장 길이에 따른 대사물질 농도를 보고했으며, 모든 기관의 화학적 성질에 영향을 미치는 새로운 미생물군 유래 담즙산 접합체를 발견하고 미생물과 숙주에 미치는 영향 사이의 인과관계를 확립했습니다7. 다양한 장내 틈새에 존재하는 다양한 미생물과 이들의 다양한 대사 활동을 고려할 때 새로 발견된 담즙산은 아직 밝혀지지 않은 대사물질 기반의 숙주-미생물 및 미생물-미생물 상호작용의 엄청난 공간을 보여주는 한 예일 뿐입니다.

2). Based on the above predicted microbial metabolic reactions, we further restricted our analysis to pairs in which the predicted microorganisms possess enzymes that catalyse reactions involving the paired metabolite. Altogether, we predicted 148 pairs of potential microbial metabolite production from the correlation of 20 metabolites with the abundance of 91 microorganisms encompassing 14 different bacterial orders (Fig. 6c and Supplementary Table 10). As expected from their ubiquitous nature, metabolic intermediates such as n-acetylglutamate and the fructose breakdown product glycerate were linked to 41 and 22 microorganisms, respectively. Ten metabolites were more specifically linked to three or fewer microorganisms, including a single microorganism link for butyrate, chenodeoxycholate, rhamnose and succinate. For butyrate and chenodeoxycholate, which are the metabolites with the highest SPF versus germ-free fold change, we pinpointed an unclassified group of the known short-chain fatty acid producer Lachnospiraceae39 and members of the Lachnospiraceae NK4A136 group as the responsible microorganisms, respectively (Fig. 6d). These and other observed spatial co-occurrences of metabolites with specific microorganisms further strengthen our hypothesized link to microbial activity./p>