医学组学1+1＞2：代谢组+转录组/微生物组关联分析策略及案例解读
代谢组学，这门专注于生物体内小分子代谢物及其动态变化的学问，反映了生物体在健康与疾病状态下的生物化学过程变化。其在表型层面上为我们理解生命活动的微妙平衡提供了最直接的视角。转录组学则是一门描绘细胞内全基因转录产物（RNA）图谱的科学，其核心在于揭示基因表达的动态变化及其调控机制，从分子层面解码生命的语言。而微生物组学，则致力于解析宿主体内外微生物群落的结构、功能及其与宿主的相互作用，体现了微生物与宿主之间的相互影响关系。
疾病的发生与发展，是一个涉及多重复杂因素的动态过程。基因变异、表达失调、代谢异常等，每一个细微变化都可能引发生物体表征的显著改变。单一的组学研究虽能揭示局部信息，却难以全面把握疾病本质，更难于解析跨层面的因果关联。而整合代谢组学、转录组学与微生物组学的数据，进行关联分析，不仅能够实现信息的互补验证，还能通过构建相关性网络，揭示不同层面间的内在联系。这种多维度的关联分析策略，为我们深入了解疾病机制，发掘潜在治疗靶点，开辟了新的视野和方向。
美格多组学关联分析医学产品
美格基因于6.28推出了2款医学多组学关联分析产品：代谢组与微生物组联合分析（医学）、代谢组与转录组联合分析（医学），作为目前医学研究中应用最为广泛的2种组学关联分析策略，适用于多种医学研究场景：营养与健康/饮食研究、生物标志物的发掘、疾病机理研究、药物作用机制、抗生素耐药性研究......
代谢组与转录组联合分析（医学）的基础关联分析策略（见下图）主要分为3部分：从数据的整体角度出发的统计学分析、从代谢物和基因表达量计算相关系数出发的相关性分析、从寻找共有通路出发的KEGG通路分析。除此之外还提供和弦图和桑葚图等个性化分析。
代谢组与微生物组联合分析（医学）的基础关联分析策略（见下图）主要包含单变量相关分析（左图）和多变量相关分析（右图）。除此之外还提供随机森林分析和LASSO分析等适用于大样本队列筛选生物标志物的个性化分析。
文章案例解读
客户文章(1)
- 经过亚急性和亚慢性臭氧暴露后，小鼠肠道屏障受损伴随的代谢组和微生物组改变导致肝脏脂质代谢紊乱
标题：Altered metabolome and microbiome associated with compromised intestinal barrier induced hepatic lipid metabolic disorder in mice after subacute and subchronic ozone exposure
期刊：Environment International（IF=10.3）
发表时间：2024.03
样本类型：小鼠肝脏、肠道内容物
组学：非靶向代谢组（LC-MC）、宏基因组
1.主要研究思路
2.摘要
臭氧暴露与人类代谢紊乱有关，但其潜在机制尚不清楚。本研究通过组织学检查、微生物组和代谢组方法，研究了小鼠在亚急性（4周）和亚慢性（12周）暴露于0.5 ppm和2.5 ppm臭氧期间肠肝轴的作用和代谢紊乱背后的潜在机制。臭氧暴露导致体重增长减缓，并以剂量依赖性方式降低肝脏脂质含量。暴露于臭氧后，肠道杯状细胞数量减少，而丛状细胞数量增加。紧密连接蛋白zonula occludens-1 (ZO-1)显著下调，上皮细胞凋亡增加，并伴有代偿性增殖，表明肠道屏障的化学和物理层受损。肝脏和盲肠代谢特征发生改变，主要与脂质代谢和氧化应激有关。结肠和盲肠中Muribaculaceae的丰度随剂量增加而增加，并且与胆汁酸、甜菜碱和L-肉碱等代谢物的减少有关，这些代谢物随后会破坏肠道屏障和脂质代谢。总体而言，本研究发现亚急性和亚慢性臭氧暴露通过扰乱肠肝轴（尤其是肠道屏障）引起代谢紊乱。这些发现为与环境臭氧暴露和其他氧化应激源相关的健康风险提供了新的机制理解。
关键差异肠道微生物、代谢物和表型之间的相关性
客户文章(2)
- 肠道代谢物3-甲基黄嘌呤通过多巴胺受体D1增强顺铂在卵巢癌小鼠模型中诱导的细胞凋亡
标题：Gut-derived metabolite 3-methylxanthine enhances cisplatin-induced apoptosis via dopamine receptor D1 in a mouse model of ovarian cancer
期刊：mSystems（IF=5.0）
发表时间：2024.06
样本类型：小鼠盲肠内容物、肿瘤、粪便
组学：16S、转录组、非靶向代谢组（LC-MC）
1.主要研究思路
2.摘要
铂类化疗失败是卵巢癌 (OC) 治疗中的一大挑战，会导致疾病复发和预后不良。最近的研究揭示了肠道微生物群在调节抗癌治疗中的作用。然而，肠道微生物群调节对铂类疗法反应的确切潜在机制仍不清楚。在这里，我们研究了肠道微生物群对顺铂抗癌反应的作用及其潜在机制。本研究的结果表明，在OC携带小鼠中，抗生素诱导的肠道微生物群扰动后，顺铂的抗癌效果显著提高。16S测序显示，暴露于顺铂后，盲肠内容物中肠道微生物组的组成发生了显著变化。通过代谢组学分析，我们在抗生素治疗组中发现了不同的代谢特征，抗生素治疗小鼠的肠道代谢物 3-甲基黄嘌呤明显富集。接下来，我们采用了一种结合转录组分析和化学-蛋白质相互作用网络数据库的策略。我们鉴定出与 3-甲基黄嘌呤具有结构相似性的代谢物，这些代谢物与富含癌症相关通路的基因相互作用。经鉴定，3-甲基黄嘌呤通过促进体内和体外细胞凋亡显著增强了顺铂的有效性。重要的是，通过综合多组学分析，我们阐明了这种增强细胞凋亡的机制基础，揭示了由 3-甲基黄嘌呤介导的多巴胺受体 D1 依赖性通路。本研究阐明了肠道衍生代谢物 3-甲基黄嘌呤介导顺铂诱导细胞凋亡的机制。本研究结果强调了3-甲基黄嘌呤作为一种有前途的佐剂与顺铂联合使用的潜在转化意义，旨在改善OC患者的治疗结果。
ABX诱导的肠道菌群耗竭增强小鼠肿瘤模型中顺铂抗癌功效
案例文章
- 对粪便宏基因组和血清代谢组的综合分析揭示了肠道微生物群相关代谢物在结直肠癌及腺瘤检测中的作用
标题：Integrated analysis of the faecal metagenome and serum metabolome reveals the role of gut microbiome-associated metabolites in the detection of colorectal cancer and adenoma
期刊：Gut（IF=31.8）
发表时间：2021.08
样本类型：人血清、粪便样本
组学：非靶向代谢组、宏基因组、靶向代谢组
1.主要研究思路
2.摘要
该研究通过综合分析策略，结合非靶向血清代谢组学和粪便宏基因组测序，旨在识别与结直肠癌（CRC）或腺瘤相关的肠道微生物代谢物。研究鉴定了能在CRC和腺瘤患者中显著变化的代谢物，并构建了基于这些代谢物的模型来区分疾病状态与健康状态。关键发现包括8种稳定的肠道微生物相关血清代谢物标志物（GMSM），它们能有效区分病例与对照样本。所建立的GMSM模型在区分CRC和腺瘤时展现高准确性，在不同队列中AUC达0.98至0.92，优于传统肿瘤标志物癌胚抗原。此外，该模型对腺瘤及早期CRC的诊断也呈现良好效果，提示GMSMs有望成为CRC和腺瘤早期检测的新工具。
粪便宏基因组和血清代谢组关联分析，研究异常结直肠患者中发生显著改变的肠道微生物相关血清代谢物
联合分析数据来源样本注意事项
1.相同类型样本用作关联分析前需要同一份样本冻存前提前分装，若为不同类型样本则需要在同一时间进行取样，否则，关联分析的结果是没有意义的。
2.关联分析样本必须包含生物学重复，样本量过少会导致计算不准确。
3.样本禁止反复冻融，避免造成粪便菌群或代谢产物的变化，从而导致实验结果不准确，影响后续分析。
4.样本禁止反复冻融，避免造成粪便菌群或代谢产物的变化，从而导致实验结果不准确，影响后续分析。
参考文献
[1] Lu W, Jiang C, Chen Y, et al. Altered metabolome and microbiome associated with compromised intestinal barrier induced hepatic lipid metabolic disorder in mice after subacute and subchronic ozone exposure[J]. Environment International, 2024, 185: 108559
[2] Mai Z, Han Y, Liang D, et al. Gut-derived metabolite 3-methylxanthine enhances cisplatin-induced apoptosis via dopamine receptor D1 in a mouse model of ovarian cancer[J]. mSystems, 2024: e01301-23.
[3] Chen F, Dai X, Zhou C C, et al. Integrated analysis of the faecal metagenome and serum metabolome reveals the role of gut microbiome-associated metabolites in the detection of colorectal cancer and adenoma[J]. Gut, 2022, 71(7): 1315-1325.