推荐综述| PHYSIOL REV：代谢组学在生理学和病理学过程的研究（下）
编译：北越城主，编辑：谢衣、江舜尧。
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内容
4用于研究正常生理过程的代谢组学
本综述的大部分内容讨论了小分子代谢物对病理生理学的影响，以及代谢组学如何帮助阐明许多疾病（包括糖尿病，CVD，癌症，肾脏疾病和一系列疾病）的潜在代谢生理学机制。接下来的部分将集中在生理学的“积极性”方面，以及代谢物如何在正常生理学以及健康器官和器官系统的生长，调节和维持中发挥关键作用。当然，大多数读者都非常清楚代谢产物作为细胞的实体和细胞能量的燃料所起的作用。在生物化学的方面是众所周知的，并且在许多标准的生物化学教科书中广泛地采纳这些观点。这些包括它们作为生理毒素的作用以及它们作为信号分子的功能。 在这方面，我们关心的是这些代谢物的合成或分解方式，而不是它们在什么地方，在哪里结合以及这些结合事件的下游后果。
4.1代谢组学和内分泌学
毫无疑问，代谢物是在生命系统中使用的第一个信号分子。细菌已经进化为完全依赖于小分子以及小分子与蛋白质受体的相互作用来指导其运动（趋化性）。 感觉营养；控制他们的进食行为（通过营养感应操纵子）；适应高或低pH，盐或温度（压力感应）；并检测其他细菌（群体感应）。这些化学通讯系统在真核生物中持续存在并发展，导致使用或重复使用各种小分子来控制细胞分化（形态发生子），选择性繁殖或杀死细胞（免疫信号传导），检测病原体（脂多糖信号传导），攻击和杀死细菌，感知营养状态（GSIS），评估氧化还原状态，气味或味道，移动或改变颜色以及控制或激活不同的器官系统。讨论所有这些由代谢物驱动的信号系统可以很容易地完成一本书。在这里，我们将注意力集中在代谢物的作用上，例如1）内分泌系统中的信号分子和2）肠道（以及各种肠道/器官轴）中的信号分子。
4.2作为激素的代谢产物
激素是一种信号分子，由特定组织产生和储存，并由循环系统转运至目标远处的器官。激素通常与特定受体结合以调节生理或行为。激素还可以包括由影响相同细胞（自分泌信号传导）或近端细胞（旁分泌信号传导）的细胞产生的化合物。许多最著名的激素是肽和蛋白质。这些肽激素包括胰岛素，生长抑素，胰高血糖素，催乳激素，生长激素，甲状旁腺激素，催产素，加压素，胃泌素和瘦素。它们的作用和靶器官是众所周知的，它们是调节诸如葡萄糖代谢，乳汁分泌，骨骼生长或重塑，血管舒张，消化和脂肪储存等生理过程的关键。表3列出了一些较小的（1500 Da）肽激素和生物活性肽，可以通过基于MS的标准代谢组学技术进行检测。表3提供了它们的名称，序列（请注意，许多具有-COOH末端酰胺基），分子量和已知功能的简短摘要。较大的肽和蛋白质激素及其功能和受体的更完整列表可在几个出色的在线数据库中找到，例如HMRbase和Neuropep。鲜为人知的（但数量更多）是小分子非肽类激素。表4提供了已知或广泛认为具有激素功能的75种以上非肽代谢物的清单。表4提供了激素名称，分子的来源或来源，靶组织，已知的受体（使用基因名称）以及生理作用。由于代谢组学和质谱学的不断发展，总是发现了更多的小分子激素或小分子被“重新分类”为激素，例如脂因子和氧固醇。如表4所示，大多数小分子激素可以分为六个主要化学类别：氨基酸激素，生物胺激素，类花生酸激素，有机酸激素，类固醇激素和糖激素。毫无疑问，类固醇激素是最著名的小分子激素。但是，此表中的某些其他化合物远为未知，而另一些可能有些令人惊讶。 这些鲜为人知的化合物中的一些将被更详细地讨论。
表3小分子（1500 Da）肽激素和生物活性肽的列表，序列，分子质量和已知功能
表4小分子（非肽）激素，其靶受体/组织及其一般作用
自1980年代初以来，氨基酸，尤其是BCAA已被确定为激素或胰岛素促分泌素。直到最近，才发现了BCAA作用背后的机制及其细胞内受体。其中一些在图16和17中进行了详细说明。其他氨基酸（例如谷氨酰胺和精氨酸）起着不同（或其他）的作用，其中谷氨酰胺充当胰高血糖素样肽（GLP-1）促分泌素和精氨酸起作用作为胰岛素促分泌剂和生长激素促分泌剂。在许多情况下，这些氨基酸是从肌肉组织释放到血液中的，而肌肉组织是循环氨基酸的主要来源。 在这方面，骨骼肌可被视为重要的内分泌器官。其他类型的氨基酸或氨基酸衍生物，例如甲状腺素和三碘甲状腺素是众所周知的甲状腺激素，在碳水化合物，脂质和蛋白质的代谢中起关键作用。血液和许多组织中氨基酸的含量很高，使得这些化合物的检测和定量对于代谢组学研究特别容易。有大量的代谢组学研究将氨基酸水平与胰岛素状态，糖尿病状态，碳水化合物代谢，脂质代谢和蛋白质更新进行相关研究。
类花生酸，包括前列腺素，血栓烷，白三烯，脂类毒素和消退素，可能代表了最大的小分子激素类别。它们衍生自多不饱和脂肪酸（PUFA）的代谢（即氧化），可作为自分泌，旁分泌和/或内分泌效应物发挥作用。类二十烷酸有助于增强或减轻炎症，有助于疼痛感，调节细胞生长，控制血压并调节流向组织的血流。表4并未涵盖所有内容已知的类花生酸，随着质谱仪灵敏度的不断提高，该清单也在不断增加。低水平的类花生酸和其他脂蛋白，加上大量的变体，使其非常适合通过基于MS的代谢组学方法进行研究。结果，已经开发出许多非常有效的LC-MS测定法来检测和/或定量类花生酸和其他脂蛋白。非靶向代谢组学和脂质组学技术的不断改进有望能够鉴定出许多新的类花生酸或脂蛋白，其中一些可能具有意想不到的激素活性。
尽管几十年来人们一直公认某些有机酸（例如2-酮己酸和视黄酸）是激素或促分泌素，但将其他有机酸识别为激素的看法却相对较新。最近的研究表明，乳酸在维持肿瘤生长和维持肿瘤组织周围的免疫抑制方面具有自分泌和旁分泌功能。特别是，肿瘤产生的乳酸直接作用于T细胞，并限制其在肿瘤组织周围和内部的运动。有趣的是，乳酸还被证明具有自分泌功能，有助于维持B细胞的生长，并可能导致B细胞的肿瘤发生。与乳酸一样，琥珀酸最近被证明具有免疫调节作用。如前所述，琥珀酸（通过HIF-1）上调IL-1的表达，IL-1是一种细胞因子，是炎症反应的重要介体。特别地，IL-1参与淋巴细胞增殖，分化和凋亡。琥珀酸还靶向并激活另一组免疫细胞，即树突状细胞，它们是体内关键的抗原呈递细胞。这是通过将琥珀酸盐与琥珀酸盐受体（也称为SUCNR1）结合而完成的，该受体在树突状细胞和巨噬细胞中均高度表达。这导致通过NF-kB的作用产生TNF-α和IL-1。琥珀酸酯起免疫调节激素的作用，有助于机体感知并响应免疫危险（图20）。乳酸和琥珀酸酯（以及许多相关的有机酸激素）可以通过NMR或GC-MS在生物流体和组织中轻松测量，使得通过代谢组学方法进行分析变得非常常见。这导致了许多针对性的代谢组学研究，旨在鉴定这些有机酸激素在生热作用，巨噬细胞活化，T细胞增殖，缺血性损伤和肥胖症中以前未被怀疑的作用。
图20琥珀酸如何激活巨噬细胞和树突状细胞分裂以及炎症反应
另一个值得注意的有机酸激素是柠檬酸。柠檬酸由许多专门细胞分泌，包括前列腺腺细胞和成骨细胞（成骨细胞）。成骨细胞使用柠檬酸盐来稳定矿物（磷灰石）纳米晶体，从而促进骨骼结构的形成和稳定。尽管柠檬酸的这种特殊功能不是经典的激素（受体介导的），但对于所有脊椎动物生理学来说显然是至关重要的。此外，柠檬酸盐起信号/作用分子的作用，通过专门的细胞（成骨细胞）分泌，在适度的远处执行基本的生理功能（骨形成和稳定）。柠檬酸盐的更经典的激素作用是调节或限制细胞分裂。在健康但迅速分裂的组织或迅速分裂的细胞（前列腺，骨组织，巨噬细胞）中发现了高浓度的柠檬酸盐。在这方面，柠檬酸盐似乎起化学“刹车”的作用，可防止迅速分裂的细胞不受控制地分裂或转变成肿瘤样状态。这是通过柠檬酸盐对糖酵解和TCA周期的抑制作用完成的。实际上，通过各种生物学和基于细胞的代谢组学研究，最近发现柠檬酸盐显示出强大的抗肿瘤活性和强大的免疫调节活性，这对于健康组织中安全，可控的细胞分裂至关重要。
短链脂肪酸（SCFA），例如丁酸，丙酸和乙酸盐，是另一类最近被认可的小分子激素，在维持总体健康和肠道稳态方面均起着关键作用。这些小有机酸是由肠道菌群通过膳食纤维的分解而产生的。尤其丁酸具有许多激素样功能，它可以增强胰高血糖素和胰岛素的表达，改变甲状腺中甲状腺激素的结合，增加垂体中生长激素的分泌，并通过多种表达的增强来激活先天免疫系统通过抗菌肽，包括β-防卫素和cathelicidins抗菌肽。换句话说，通过产生SCFA，肠道菌群可以作为内分泌器官发挥作用，其具有维持整体健康和福祉所需的许多重要的多种信号传导功能。与大多数有机酸一样，SCFA可以通过NMR和GC-MS技术轻松测量（只要遵循正确的样品处理方案即可）。因此，许多代谢组学研究小组正在各种基质中对SCFA分析，以进一步探索他们与健康和疾病的关系。
硝基亚油酸是另一种有机酸激素，从技术上讲是长链脂肪酸，而不是简单的有机酸。当高水平的NO存在时，这种异常激素会在血液中自发形成，通常是在炎症期间。更具体地说，由巨噬细胞在感染期间产生的NO可以在它们的一个或多个双键处迅速使亚油酸和其他不饱和脂肪酸硝化。10-硝基亚油酸是这些硝化脂肪酸中含量最多的，已发现它是一种非常有效的过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPAR）激动剂，抑制常数约为130 nM。硝基亚油酸还激活细胞外信号调节激酶（ERK）途径，并导致血红素加氧酶的产生，这在感染过程中对保护肺组织起关键作用。同样，硝化脂肪酸（例如亚硝基油酸）与腺嘌呤核苷酸转位酶1（ANT1）的结合有助于限制心血管事件期间的缺血性损害。硝基亚油酸是一种相对丰富的化合物，在人体血液中的浓度为500 nM。
在这里值得一提的最后一个“激素”是葡萄糖。尽管葡萄糖主要起燃料的作用，但它也被用作信号分子，尤其是胰腺中的β-细胞。胰腺细胞通过释放胰岛素来应对升高的葡萄糖水平，并通过释放胰高血糖素来应对降低的葡萄糖水平。根据需要存储和产生葡萄糖的器官是肝脏和骨骼肌。一个普通人在肝脏中储存约120 g葡萄糖（以糖原形式），在骨骼肌中储存约400 g。与直接作用于膜或核受体的经典激素相反，β-葡萄糖通过称为葡萄糖激酶的细胞质酶监测葡萄糖浓度。葡萄糖激酶通过使葡萄糖磷酸化以产生6-磷酸葡萄糖（G6P）而参与有氧糖酵解的第一步。葡萄糖激酶在肝脏和胰腺中都特别丰富，但是只有胰脏形式才被葡萄糖激活，因为肝脏的形式被胰岛素激活。结果，细胞中的糖酵解通量对血糖浓度非常敏感。具体而言，升高的血糖水平会导致细胞糖酵解增加，从而增加细胞内ATP / ADP比率，触发ATP敏感性钾通道的关闭并打开电压敏感性钙通道，从而通过胞吐作用刺激胰岛素释放。相反，降低血糖和减少细胞糖酵解可阻断胰岛素释放，以预防低血糖症。快速的，葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）的这一组成部分称为“触发途径”。细胞分泌胰岛素的第二个较慢阶段（葡萄糖刺激后）似乎受到其他分子的调节，即还原的NADPH，鸟苷三磷酸（GTP）和谷氨酸。
鉴于与GSIS相关的复杂性以及其他代谢物在体内与内分泌类似的作用GSIS，通过代谢组学进一步探索这一过程引起了极大的兴趣。迄今为止，已经对胰岛细胞进行了超过35项代谢组学研究，其中70％使用GC-MS或LC-MS方法，另外30％使用NMR或NMR与MS的组合。这些研究主要使用永生化的胰岛细胞系，例如Min6、832 / 13，EndoC-H1和INS-1E细胞系。与分离的胰岛细胞的代谢组学比较显示，这些细胞系具有相当的可比性。通常，基于MS的代谢组学实验需要1.5至1500万个细胞，而基于NMR的研究则需要多达1.8亿个细胞。总的来说，这些多样化的研究允许对葡萄糖诱导的60多种代谢产物的变化进行详细的时间探索，这些代谢产物涵盖糖酵解途径，TCA途径，戊糖磷酸途径（PPP）以及氨基酸，脂质和核苷酸合成途径。这些努力已经证实，糖酵解和TCA代谢产物的增加在第一阶段（“触发途径”）的早期发生，并在胰岛素分泌的第二阶段延长。这项工作还确定了一些有趣的代谢物候选物，它们可能在GSIS的不同阶段起关键的信号传导作用。这些候选物包括GDP-甘露糖（在葡萄糖刺激后8分钟内增加14倍）和5-氨基咪唑4-羧酰胺核糖（在25分钟内增加9倍）。 在人源性胰腺细胞系中使用敲低shRNA实验进行的最新代谢组学通量研究表明，乙酰乙酸途径和乙酰乙酸代谢产物在GSIS中的葡萄糖感测中起着重要作用。
4.3代谢组学，肠道和肠道微生物组
胃肠道是代谢最重要的器官系统。它吸收食物，将其消化成小分子，提取出这些分子以产生能量和必要的营养，然后将剩余的物质作为废物排出。口腔，食道，胃和肠都是胃肠道的一部分。唾液腺，胰腺，肝脏和胆囊等众多附属器官会影响胃肠道并有助于食物摄取和消化。肠道当使用术语表达时，它主要指胃肠道下部，尤其是大肠和小肠。小肠的主要功能是将食物消化（包括碳水化合物，蛋白质，脂质和维生素）吸收到血液中。小肠分为三个部分：十二指肠，空肠和回肠。十二指肠有助于消化（通过胰酶），促进脂肪乳化（通过胆汁酸），并中和胃酸（通过碳酸氢盐）。空肠（小肠中段）吸收氨基酸，糖和脂肪酸进入血液，而回肠吸收维生素B12，胆汁酸和大多数剩余营养素。尽管在人类中可以发现少量革兰氏阳性球菌，但小肠还是“很无菌的”。
连接到小肠的大肠主要用于促进水分吸收。它还支持微生物辅助的消化，以协助吸收难消化的营养物质。大肠不是无菌的，它包含500至1,000种不同的细菌，包括Firmicutes和Bacteroidetes的成员（微生物中占主导地位），以及其他不那么丰富的phyla，如变形杆菌，放线菌，疣状微细菌，梭菌和蓝藻。在人类的大肠中也发现了其他微生物，包括真菌，原生动物和一些古细菌。这些微生物共同构成了肠道微生物组。在一个普通的成年人中，在远端肠道中可以发现40万亿个微生物，这意味着肠道微生物组中的细胞数量是人类细胞的约1.5倍。但是，由于微生物比真核细胞小约500倍，因此，如此大量的微生物细胞相当于200 g的细胞量。就遗传复杂性而言，据估计肠道微生物组中的基因数量是人类基因组中基因数量的400倍。这种遗传上的复杂性使微生物能够产生广泛的酶，这些酶可以代谢大量的化学化合物。它还使它们能够产生人类宿主无法产生的许多重要代谢产物。特别是，肠道微生物组能够将复杂的多糖（纤维）代谢为短链脂肪酸（SCFA），可以将多种多酚化合物加工为简单的酚酸，并且可以代谢色氨酸产生各种难闻的气味和免疫调节性吲哚，它能够产生维生素K和生物素促进血液吸收，并且能够从头合成几种必需氨基酸（如BCAA和芳香族氨基酸）。肠道微生物组现在被认为是必不可少的器官，因为如果没有它，人类将无法发展功能完善的免疫系统，产生必需的维生素或非常有效地消化食物。
从代谢上讲，大多数人的肠道都具有很好的特征。在肠道中发现由其加工的次级胆汁酸，氨基酸，脂质，核酸和糖类的研究已有数十年的历史了。但是，肠道微生物组是一个完全不同的研究对象。由于微生物本质上起着化学工厂的作用，因此人类肠道微生物组产生的代谢物的具有数量多和多样性丰富的特点。正是由于这种巨大的化学多样性，代谢组学几乎从一开始就与微生物组的表征密切相关。其中大多数研究者代谢组学和肠道微生物关注重点为粪便的化学特征。最近对人类粪便进行的100项代谢组学研究的一项调查表明，已鉴定出1890多种代谢物，相当于6700多种独特代谢物。这些包括SCFA，中链脂肪酸（MCFA），支链脂肪酸（BCFA），次级胆汁酸，脂质，醇，酮，醛，氨基酸和衍生物，生物胺，酚，酚酸，多酚衍生物，吲哚和硫化物。在粪便中检测到的最显着的化合物是粪臭素（粪便的臭味来源），固比林（导致粪便呈褐色的胆红素代谢物），LPS（在革兰氏阴性细菌中发现的一种免疫刺激脂质）和多种神经激素或神经递质，包括5-羟色胺，多巴胺和肾上腺素。除了这些许多脂溶性或水溶性化合物外，基于GC-MS的代谢组学方法还发现了健康人粪便中将近400种挥发性有机化合物（VOC）。
健康的肠道的特征是稳定的微生物组，其中富含可产生健康副产物（例如SCFA，维生素和必需氨基酸）的微生物。对微生物组细菌丰度的影响（肠道营养不良）以及对肠上皮屏障的干扰（渗漏的肠道）可导致或加剧各种不健康的状况，例如哮喘，囊性纤维化，乳糜泻，自身免疫性肝炎，1型 糖尿病，多发性硬化症和系统性红斑狼疮。这些对肠道的干扰通常会导致炎症代谢产物（例如LPS，尿毒症毒素，组胺，酪胺和仲胆汁酸）的过量产生和/或泄漏到血液中。这些化学物质也会在粪便中积累，并经常与特定的疾病过程相关。 例如，对大肠癌患者的粪便代谢组学研究表明，乳酸水平升高，葡萄糖和谷氨酰胺水平降低，这清楚地反映了肿瘤内发生的Warburg效应和谷氨酰胺分解。许多代谢组学研究已将炎症性肠病（IBD）或溃疡性结肠炎（UC）个体的粪便代谢组与健康对照进行了比较。具有IBD或UC的个体的粪便通常显示粪便中SCFA和MCFA的含量降低，同时葡萄糖，芳香族氨基酸，BCAAs和生物胺的含量升高。这些类似于在患有糖尿病前期个体中看到的许多代谢变化，并且这似乎是慢性炎症的标准代谢特征。
虽然粪便的代谢组学研究为微生物组的化学研究提供了直接窗口，但粪便样品处理起来十分让人难受。越来越多的研究人员意识到，尿液为微生物组生物化学提供了几乎同样有用的选择。这是因为许多水溶性肠道代谢物被动地从大肠扩散回血流，随后被肾脏清除。在许多情况下，一旦这些源自肠道的代谢物扩散回血流，它们就可以充当尿毒症毒素。尿毒症毒素对人体生理和疾病的多种影响已在本综述的前面部分进行了介绍。尿液更易于收集，处理和测量的使得通过尿液进行代谢组/微生物组研究特别流行。确实，综合的尿液代谢组学和微生物学研究鉴定了几种新型的结肠衍生代谢产物。他们还发现了许多有趣的疾病微生物代谢物标记物。尿代谢组学也被证明是一种识别肠道中某些微生物存在的有效方法。 不必进行宏基因组普查来确定关键的肠道微生物参与者，而是可以执行简单的代谢组学分析来获得相同的结果。表5以及几篇论文总结了来自各种尿代谢物/微生物关联研究的数据。表5鉴定了近30种可以用作某些微生物或特定微生物活性标记的生物标记物。HMDB还提供了近200种微生物代谢物及其微生物来源的更完整列表。毫无疑问，随着更详细的代谢组学研究的完成，将会发现微生物存在活性的其他代谢指标。
4.4肠道微生物代谢产物和信号传导
如前所述，肠道通过其微生物衍生的代谢产物的产生和释放受到调节，基本上起着内分泌器官的作用。这些代谢物（或激素）的作用似乎非常普遍，并影响许多器官或器官系统的功能。结果，出现了一个新的词来描述这些肠道器官相互作用：1. 脑-肠轴，2. 肝-肠轴，3. 肺-肠轴，4. 肠-肾轴（图21）
4.5脑-肠轴和代谢组学
对不同肠-器官轴的最佳研究是肠脑轴。这个“轴”是指双向神经大脑与胃肠道肠神经系统之间的信息沟通系统。这种相互作用对于维持肠道稳态，控制蠕动以及激活消化所用酶的分泌非常重要。如表4所示，肠道菌群可产生大量的神经递质，包括乙酰胆碱，GABA，多巴胺，肾上腺素，去甲肾上腺素和5-羟色胺。 靶标代谢组学研究表明，体内90％的血清素和50％的多巴胺是由肠道产生的。肠源性血清素负责调节血小板功能，调节肠神经系统的成熟并控制胃肠动力。大多数肠源性5-羟色胺位于胃肠道的肠嗜铬细胞中，用于调节肠道运动。然后，从胃肠道扩散到血流中的所有5-羟色胺都会被血小板吸收，血小板会在血管损伤部位储存并释放出来，从而促进血液凝固。与肠源性5-羟色胺相反，肠源性多巴胺主要以非活性的多巴胺硫酸盐形式存在，并从尿液中排出。来源于肠道的多巴胺少量泄漏到血液中在血管舒张和胰腺激活中起作用。除这些“经典”神经递质外，研究表明肠道源性SCFA也具有神经递质或神经激素功能。尤其是，SCFA能够刺激交感神经系统，激活粘膜5-羟色胺释放并改变记忆和学习过程。
代谢组学研究帮助揭示了许多有趣的脑-肠相互作用。特别引起关注的是大量的代谢组学研究，这些研究已鉴定出患有孤独症的个体（或动物模型）的尿液和血液中异常的肠道来源的代谢物或异常水平的肠道来源的代谢物，精神分裂症，焦虑或情绪障碍和帕金森氏病。有趣的是，这些疾病中的许多都与慢性肠道紊乱，肠道泄露或一般肠道营养不良有关。在某些情况下，引起这些不良反应的肠源性代谢产物似乎是神经炎性的。在其他情况下，它们可能发挥表观遗传作用（尤其是SCFA），从而导致基因表达被修饰，在其他情况下，它们可能直接充当神经毒素。
4.6肝-肠轴和代谢组学
肝-肠轴是指肠道微生物组（及其产生的代谢产物）与肝脏之间的双向相互作用。这个“鲜为人知的轴”中的关键信号分子是胆汁酸。胆汁酸是类固醇酸，是肝胆固醇代谢的最终产物。胆汁酸有四种类型：初级胆汁酸，胆汁酸盐（或共轭胆汁酸），次级胆汁酸和第三胆汁酸。初级胆汁酸是肝脏衍生的化合物，由羟基化的类固醇核心组成。在人类中，胆酸和鹅去氧胆酸是最丰富的初级胆汁酸。胆汁酸盐是与肝脏中的甘氨酸或牛磺酸（在人，高等灵长类动物和大鼠中）或仅牛磺酸（在大多数其他哺乳动物中）结合的初级胆汁酸。这些氨基酸修饰使胆汁盐在小肠上部的弱酸性pH值下保留在溶液中。二级胆汁酸是通过结肠细菌对胆汁盐的作用而形成的，胆汁盐可除去氨基酸结合物并进一步使母体化合物脱羟基。 这导致产生化合物，例如脱氧胆酸和石胆酸。更具疏水性和肝毒性的次级胆汁酸（如胆酸）可以被宿主酶通过葡糖醛酸化，羟基化或硫酸化进一步修饰，以帮助消除。当细菌产生的次级胆汁酸返回肝脏并被还原时，肝脏会形成三级胆酸。例如，将鹅去氧胆酸（初级胆汁酸）转化为7-酮石胆酸（次级胆汁酸），然后再转化为熊去氧胆酸（三级胆汁酸）。
胆汁酸主要用于在消化过程中乳化脂质，但它们也具有重要的激素功能。 特别地，胆汁酸通过与FXR受体（farnesoid X-activated receptor）相互作用来调节甘油三酯代谢，葡萄糖代谢和肝脏生长。胆汁酸还通过G蛋白偶联受体称为TGR5来调节炎症反应。由TGR5介导的肠道免疫反应的变化意味着胆汁酸可以影响肠道的微生物组成。另一方面，肠道的微生物组成可通过各种解偶联反应（导致继发的胆汁酸）改变胆汁酸的化学特性。微生物区系的这些修饰可以阻止某些胆汁酸的主动再摄取，从而调节初级胆汁酸的信号传导特性。
胆汁酸分析非常适合代谢组学研究。这是因为已知的胆汁酸有100多种，彼此之间的区别非常微妙。高灵敏，高通量的胆汁酸测定法提供了一种快速测定大量胆汁酸的方法。这样可以更好地了解彼此之间的胆汁酸关系及其各自的生理作用。尽管有关胆汁酸的代谢组学研究为人类生理学和人体病理学提供了令人振奋的新见解，但在非人类模型中研究胆汁酸时必须谨慎行事。例如，啮齿动物可以使6-β位置的胆汁酸羟化（胆酸），而猪可以使6-α位置的胆汁酸羟化，而人类做不到。结果，在非人类模型中有关胆汁酸代谢的发现可能无法在人类中很好地复制。
胆汁酸的作用似乎在某种程度上与动物模型的选择无关的一个领域是肝脏疾病。特别是，一段时间以来，人们已经知道肠道中胆汁酸水平的显着改变会导致肝脏疾病，包括酒精性和非酒精性脂肪肝疾病。有证据表明，高水平的次级胆汁酸可以通过NF-kB信号激活促炎性细胞因子。这种炎症状态可导致肠道菌群组成的变化和肠道通透性的增强。这些变化会增加进入血液的肠道微生物释放的LPS（或内毒素）水平。LPS通过肝脏中Toll样受体（TLR）的作用加重了炎症（先天免疫）反应。炎症增加导致肝功能降低和胰岛素抵抗增强，这有助于肝脏介导的新生脂肪形成。这种脂肪形成导致脂肪在肝脏，T2DM和最终在NAFLD中积累（图11）。已显示另一组微生物产品对肝脏健康具有更积极的作用。小鼠研究表明，SCFA可增加肝脏中5'-AMP激活的蛋白激酶（AMPK）的活性。 AMPK的激活会增加过氧化物酶体增殖物激活受体伽马共激活因子（PGC）-1的表达，已知它可以控制多种转录因子，例如过氧化物酶体增殖物激活的受体（PPAR，PPAR，PPAR），FXR受体和LXR受体。所有这些蛋白质在调节胆固醇，脂质和葡萄糖代谢中都至关重要。这种调节的结果是，肌肉组织和肝脏中的脂肪酸氧化均得到增强，而肝脏中的新生脂肪形成则减少。换句话说，SCFA在NAFLD的发展中与胆汁酸竞争调节。
在不同的肠道器官研究中，不同的肠道微生物代谢产物在伤害或治愈不同器官系统中的冲突作用是一个经常出现的主题。在过去的十年中，代谢组学在鉴定肝-肠轴中一些更重要的代谢物方面发挥了关键作用，并帮助将相互冲突的细胞内和细胞外信号传导过程整合在一起。
4.7 肺-肠轴和代谢组学
肺-肠轴是一个新兴的概念，用于解释肠内微生物与肺组织之间的联系。肠源性SCFA在哮喘的发展中起着特别重要的作用。哮喘是一种气道的慢性炎症性疾病，在工业化国家中影响着多达10％的儿童。人们普遍认为，许多儿童免疫疾病，例如哮喘，花粉症，T1D和其他过敏性疾病，是由于缺乏微生物引起的（卫生学假设）。尤其是，儿童早期缺乏传染源或肠道微生物的暴露会通过抑制免疫系统的发育而增加对过敏性疾病的易感性。在这种“免疫系统的训练”中特别重要的肠道微生物是梭菌属的成员。梭状芽胞杆菌是SCFA的重要生产者，因为它们能够将复杂的，不可消化的多糖（纤维）转化为SCFA。三种最重要的SCFA是乙酸盐，丙酸盐和丁酸盐。研究表明这些代谢物可激活几种G蛋白偶联膜受体（GPCR），包括游离脂肪酸受体（FFAR2，FFAR3），在免疫细胞如单核细胞和B淋巴细胞中尤为丰富。SCFA还调节包括HIF1，几种组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）和组蛋白乙酰基转移酶（HAT）在内的几种酶和转录因子的活性。这些代谢物-蛋白质相互作用调节基因表达，从而控制细胞因子和趋化因子的产生，细胞分化，细胞增殖和凋亡。更具体地说，丁酸酯和丙酸酯通过其对HDAC的抑制作用，通过与T细胞的直接相互作用以及与树突状细胞的间接相互作用，诱导了抗炎性T调节（T-reg）细胞的产生。SCFA的这种作用还有助于免疫系统的训练或成熟（在年轻人中）和维持（在老年人中）。
作为信号分子，SCFA至少在该疾病的小鼠模型中似乎在减轻哮喘的发展中起重要作用。通过使用实验性哮喘的屋尘螨（HDM）模型，发现丙酸和乙酸均会增加具有高吞噬能力的肺中树突状细胞的数量。但是，这些相同的SCFA损害了树突状细胞促进T辅助细胞介导的炎症的能力。丙酸对过敏性炎症的影响取决于FFAR3，而不取决于FFAR2。在使用相同的HDM哮喘小鼠模型的最新研究中，母体摄入乙酸盐可减少后代的过敏性气道疾病。乙酸盐可能会通过HDAC9抑制作用来增加Forkhead box B3（Foxp3）启动子处的乙酰化作用，从而导致DNA中甲基化模式的改变。这种表观遗传修饰抑制了与哮喘有关的小鼠胎儿肺中许多免疫系统反应基因的表达。
肠-肺轴中另一个重要的信号分子是LPS或内毒素。LPS是由脂质和多糖组成的大糖脂。它们存在于革兰氏阴性细菌的外膜中。在革兰氏阳性细菌的外膜上发现了一种称为脂molecule酸（LTA）的相关分子。低水平的LPS通常会通过肠道泄漏到血液中。LPS刺激Tolllike受体（TLR）信号传导，赋予许多调节炎症和先天免疫应答的基因下游激活。LPS的树突状细胞（DC）感应可增强肠道的免疫耐受性，但也会导致DC活性发生变化并迁移至肠系膜淋巴结，从而促进T细胞启动。引发后，T细胞获得某些归巢蛋白，这些蛋白开始迁移到身体其他部位，包括肺部。有趣的是，在过敏性炎症的HDM模型中，小鼠长期鼻内暴露于LPS已被证明可以保护它们免受HDM诱导的哮喘的侵袭。这凸显了LPS改变DC向肺部募集并保护小鼠免受哮喘症状发展的能力。另一方面，已知LPS会引起全身性内毒素血症，从而导致脂肪组织发炎，肥胖和2型糖尿病。因此，这一次在肺-肠轴轴上，可以看出治愈和伤害的代谢产物。
已经进行了大量的代谢组学研究，探索了SCFA，LPS，胆汁酸和许多其他代谢物在肺功能和肺部疾病中的作用。这些代谢组学研究中的许多正在导致有用的生物标记物，以鉴定或预测哮喘，细菌性肺炎和职业性肺损伤。有趣的是，在尿液中发现了许多这些代谢物生物标志物。这只是突出了一个事实，即尿液是代谢测量微生物组中发生的事情的最佳替代生物流体之一。
4.8肠-肾脏轴和代谢组学
肠道-肾脏通路是指肠道微生物组与肾脏之间的双向通讯。肾的重要组成是肾上腺，其中一个直接位于每个肾脏的顶部。有时将肾上腺包含在单独的“轴”中，即下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴。
但是，为了简化本节并强调微生物组和代谢物的作用，我们将讨论限于肠道-肾脏轴。肾上腺和肾脏都影响肠道微生物组，反之亦然。肾上腺分为两个主要区域：肾上腺皮质和肾上腺髓质。肾上腺皮质作为代谢物信号传导的器官特别重要，因为它会产生三种类固醇激素：盐皮质激素（例如醛固酮），糖皮质激素（例如皮质醇和皮质酮）和雄激素（例如脱氢表雄酮（DHEA），DHEA硫酸盐（DHEA-S）和雄烯二酮）。肾上腺髓质产生儿茶酚胺肾上腺素和去甲肾上腺素。这些肾上腺激素均具有不同的功能（表4）。醛固酮调节血压和电解质平衡，糖皮质激素调节新陈代谢并抑制免疫系统，而肾上腺雄激素是性激素的前体。肾上腺素和去甲肾上腺素参与“逃避或战斗”反应。已经发现所有这些激素都以某种方式调节肠道微生物组。值得注意的是，肾上腺产生与肠道菌群产生相同的儿茶酚胺激素（见表4）。还值得一提的是，肾上腺素和去甲肾上腺素在一些重要的肠道微生物组活动中起着关键作用，包括刺激胃中的幽门螺杆菌（特别是去甲肾上腺素）的生长以及增强某些革兰氏阴性菌对肠腔的附着。这种现象可能会改变肠道中的微生物定植模式，并改变宿主对感染的敏感性。由于没有有效的代谢组学方法来区分两者，肠源儿茶酚胺和肾上腺儿茶酚胺的影响通常很难被理解。像肾上腺素和去甲肾上腺素一样，皮质醇和皮质酮也是应激激素。这些激素通常在高度生理状态（低血糖，疾病，发烧，创伤，手术，恐惧，疼痛，体力消耗或极端温度）或情绪紧张（严重的抑郁症，焦虑症，心理压力）的条件下升高。已知慢性应激和焦虑会显着改变微生物组和代谢组。
尽管肾脏确实产生一种小分子激素（骨化三醇），但它在很大程度上发挥了去除水溶性废物的作用，特别是通过肠道微生物代谢产生的尿毒症毒素（参见表2）。尿毒症毒素水平的增加驱使肾脏更加努力地工作，在某些情况下实际上损害了器官。确实，世界上最常用的“代谢组学”测试之一是血清肌酐的测量。这是一种评估肾脏功能的非常快速和准确的方法。受损的肾脏不能有效地从血液中去除微生物来源的尿毒症毒素。尿毒症毒素水平升高会导致多种慢性疾病（见表2） 研究表明，这种恶性循环可以迅速导致肾功能衰竭。其他状况（例如糖尿病，肥胖，感染或使用抗生素）引起的代谢异常也会导致肾脏损害。这是因为代谢失调加重了微生物的失调，导致肠道内许多革兰氏阴性细菌的扩大，肠屏障功能的缺陷以及LPS和其他尿毒症毒素向血液中的转运增加。LPS在免疫信号传导中的作用已在本综述中进行了讨论。还值得注意的是，晚期肾脏疾病患者的肠道微生物组已有显着改变。这突出了肾功能障碍（可能部分由微生物组引起）如何对微生物组本身产生影响。
代谢组学是探索肠-肾轴的理想选择。这是因为选择的生物流体是尿液，大多数现代代谢组学仪器均可轻松获取和处理尿液。已经进行了数百项代谢组学研究，以研究各种肾脏疾病对尿液代谢组（以及微生物组）的作用。这些研究还使研究人员能够系统地探索肾脏功能或肾脏生理的变化如何影响尿液和粪便代谢组。虽然许多肠-肾代谢组学研究专注于鉴定肾脏疾病或肾功能的诊断或预测性生物标志物，但一些代谢组学研究已开始扩展我们对肠-肾轴中涉及的现有和潜在新信号代谢物改善肾功能认识。
结论
小分子是生命中扮演着重要角色，他们是生命的物质基础。它们为细胞过程提供化学燃料，维持细胞完整性，帮助细胞耐受环境压力的缓冲液以及许多重要细胞信号通路的信使。代谢组学为科学家提供了进一步探索小分子代谢物这些已知功能的机会，比以往任何时候都更为详尽和准确。代谢组学可用的覆盖范围越来越广（某些生物流体可鉴定出多达1000种化合物），灵敏度更高（仅1 μ L的物质），分析软件的升级极大改进数据处理过程和定量分析更准确的趋势正在使某些类型的新型代谢组学成为可能。这些技术发展为科学家提供了鉴定现有代谢物的全新功能或以前未知功能的方法。它们还使科学家能够以前所未有的速度和准确度鉴定或表征以前未知的化合物。
这篇综述试图为代谢组学的一些最新发展提供一个窗口，特别是因为它们与我们对许多重要疾病的病理生理学和生物化学的理解有关。涵盖病理生理学和代谢组学的部分所传达的主要信息是，某些代谢物（尤其是当其含量很高时）可以作为慢效毒物（即代谢型毒素）起作用。此外，每种疾病的症状或主要特征可以很大程度上由这些化合物对特定基因，蛋白质，细胞，组织或器官的靶向作用来解释。
从代谢物的角度看待慢性病的另一种观点为新的检测方法，新的治疗方法以及可能的预防这些状况的新方法打开了大门。通过采用这种小分子的观点并继续借鉴一些毒理学中常用的概念和实践，代谢组学可以帮助鉴定许多新的代谢肉毒杆菌毒素，这些毒素导致以前引起缺陷基因或蛋白质折叠错误的疾病。除了涵盖我们体内发现的一些“不良”代谢产物外，本综述还试图强调“良好”代谢产物在健康和正常生理中的作用。特别是，小分子代谢物具有作为激素或信号分子的多种作用。并且某些代谢物保护和治愈肠道组织的机制，特定代谢物如何促进脑-肠沟通，或所选化合物如何激活或训练免疫系统。这些章节中有关一般生理学的主要结论是，代谢物作为信号分子绝对必不可少。实际上，它们在器官，组织或细胞信号传导中的作用可能比它们作为分子燃料或分子砖块的作用重要得多。
显然，在一篇综述文章中不可能涵盖代谢组学的所有方面，甚至不可能涉及与生理学相关的代谢组学的所有方面。一些未涵盖的领域包括免疫代谢和免疫代谢组学领域，代谢组学在理解营养或评估营养摄入方面的用途，代谢组学在评估环境毒性暴露方面的利用，代谢组学在药物代谢（I期或II期）和药物毒性（即药物代谢组学）中的应用，以及代谢组学在运动生理学和适应性评估中的应用。
评论
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原文网址：https://doi.org/10.1152/physrev.00035.2018
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