【中心科研】Gut Microbes│陆正齐教授等关于长寿人群肠道微生物组的生物合成潜力的最新研究成果发表

微生物的生物合成基因簇（Biosynthetic Gene Cluster，BGC）产生的次级代谢产物是一个巨大的宝库，在生物医学、农业和工业中扮演着重要的作用。肠道里含有大量的细菌，和人体健康、衰老息息相关，是研究次级代谢产物的重要材料。该研究下载了五个公开的长寿人群队列（C1~C5）的粪便宏基因组数据，并对从广东梅州蕉岭县（世界长寿之乡）收集的一个长寿人群队列（C6）的粪便样本进行了宏基因组测序，合并1029个样本的宏基因组数据，进行了BGC的分析。

结果发现，C1~C4和C6这五个长寿人群队列的肠道菌群的BGC组成在长寿老人和年轻老人、年轻人间有显著差异，只在C5这个队列（样本数最少，只有30个）里三个年龄组样本间无显著差异。每个队列的数据里都能鉴定出几十种BGC，整体来看cyclic-lactone-autoinducer, RRE(RiPP recognition element)-containing, ranthipeptides 这三类BGC是丰度排名前三的。接着，该研究分析了在长寿老人（C，94-117岁）、年轻老人（E，50-89岁）和年轻人（Y）里分别富集的BGC。结果显示，在C1~C4和C6这五个队列的长寿人群里，terpene和T1PKS的丰度都是显著升高的，而cyclic-lactone-autoinducer是显著下降的；thiopeptide和NRPS则分别在4和3个队列的长寿老人里是显著升高的（图1）。

为了分析BGC组成是不是和物种组成的丰度有关，研究者分析了六个队列样本里两者的相关系数，发现terpene和Akkermansia muciniphila 呈现非常显著的正相关（图2）。单独分析两者在C1~C6队列里的情况，一致性地显示出高相关性。进一步分析了A. muciniphila在六个队列里不同年龄段之间的丰度差异，结果反映在C1，C2和C6这三个样本数量最大的队列里，均是A. muciniphila在长寿老人里的丰度显著升高。研究者利用六个队列的长寿老人的粪便宏基因组数据，采用单样本比对参考基因组和组装的方法，组装得到了18个A. muciniphila的基因组框架（genome scaffolds）。对这些genome scaffolds进行antiSMASH的分析，发现它们均含有两个terpene的基因簇，这和从NCBI下载的97株A. muciniphila的完整基因组的antiSMASH分析结果是一致的。

研究者继续分析了六个队列里的terpene基因簇的相似性，找到了C1-C6每个队列里最有代表性的一类terpene基因簇家族（gene cluster family, GCF），并分析了这些GCF的基因组成结构（图3）。结果表明，在C1~C5五个队列里的代表性terpene GCF的核心基因都是角鲨烯/植烯合酶(squalene/phytoene synthases)。利用组装得到18个A. muciniphila的genome scaffolds和两个NCBI上的代表性全基因组进行BiG-SCAPE的分析，显示它们均含有两个terpene的GCF，这两个terpene GCF的核心基因都是角鲨烯/植烯合酶。角鲨烯/植烯合酶参与三萜和四萜物质的生物合成。研究者推测，肠道里的A. muciniphila有可能产生三萜或四萜的次级代谢产物。

对梅州长寿队列的粪便进行非靶代谢组分析，发现有几种三萜和四萜物质在长寿老人（C）和年轻老人（E）里显著高于年轻人（Y）。这些长寿老人粪便里A. muciniphila的丰度和萜类代谢物的含量的关联分析显示A. muciniphila和8种萜类物质显著正相关。研究者们从梅州一位百岁老人的粪便里分离到一株A. muciniphila，并对它进行了全基因组测序，组装后得到基因组框架图。antiSMASH分析发现它的确含有两个terpene的基因簇。对这株A. muciniphila进行培养，然后对它的上清液、悬浮液和培养基进行靶向萜类代谢组的检测，显示有12种三萜类物质在三组样本里有显著差异。比较上清液和培养基两组样本，发现2种三萜物质显著在上清液里富集，说明A. muciniphila有产生三萜类物质的潜力（图4）。历史文献表明，某些三萜类物质具有降血糖、保护肝脏、抗炎、抗氧化、抗病毒、抗癌等等的作用。A. muciniphila产生的特定三萜类物质是否有这些积极的作用，值得期待。