母乳是一种复杂多变的生物液体，其成分会随婴儿年龄和其他因素动态变化，因此被广泛认为是婴儿最理想的营养来源。然而，乳腺发育不良、激素失调以及肥胖等因素可能阻碍许多母亲实现母乳喂养。
对三组配方奶粉（PMH1～3）、两组母乳（BM1～2）以及对照组（PMC）的转录组数据进行了主成分分析（PCA），结果显示每组样本具有良好的聚类效果，表明数据的可重复性。通过Limma分析，研究识别出各组上调和下调的差异表达基因（DEG），并绘制了火山图以展示这些基因的变化情况。
2. 常见DEG分析探讨PMH1~3和BM1~2的共同生物学特征
通过RNA测序数据，分析了配方奶粉和母乳喂养小肠类器官时发生的生物学事件，绘制的Venn图显示，PMH13和BM12中共有1,110个共同的差异表达基因（DEGs），对这些DEGs进行GO和KEGG富集分析，发现前20条GO路径主要分为三类：与免疫反应相关的路径、营养物质的吸收与运输，以及蛋白质或激素的分泌。KEGG分析也表明，这些通路涉及免疫反应、细胞黏附、信号转导和营养吸收。
GSEA分析显示，主要通路与免疫反应有关，并发现与铜离子和锌离子代谢相关的路径，可能与奶粉中添加的铜和硫酸锌有关，小提琴图展示了免疫反应、细胞黏附和对外界刺激的响应，GSEA富集揭示了内源性免疫通路的上调，并通过热图和蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）图展示了相关基因的相互作用。
总体结果表明，无论是配方奶还是母乳，都对婴幼儿的免疫系统发育和先天免疫的建立有益，同时促进了肠道细胞的营养吸收功能和腺体发育。
3. 三种配方奶粉及母乳对小肠类器官具体生物学效应分析
对PMH1~3和BM1~2特有的DEGs进行了分析，去除了总共1110个共同基因，以获得每个组特有的特征。
PMH1组共鉴定出1392个独特的差异表达基因（DEG），其中545个上调基因和847个下调基因。GSEA分析显示，PMH1独有的DEGs在脂质代谢相关通路中显著富集，通过棒棒糖图可视化结果，发现脂质运输和定位显著上调，热图展示了9个参与这些通路的基因，普遍上调，弦图进一步支持了这一发现。这些结果表明，PMH1有助于肠道细胞对脂质的吸收，并通过上调脂质定位促进细胞膜的形成，因为脂质是细胞膜的重要组成部分。
3.2 PMH2 中独特的 DEG 和 DEM 分析
在PMH2组中，共鉴定出1302个差异表达基因（DEG），其中439个上调基因和863个下调基因。GO分析显示，PMH2组的DEGs富集于与免疫反应相关的途径，如趋化因子正向调节和对外部生物刺激的响应，通过热图和线条图可视化了这些基因和途径，IPA分析还揭示了与免疫反应相关的基因网络，显示出免疫相关基因普遍上调，产生了IgG和IgA抗体，表明黏膜免疫功能增强。此外，胶原分泌上调，并通过GSEA分析显示细胞外基质形成。
进一步的转录组与代谢组联合分析表明，免疫相关基因与代谢物之间存在显著相关性。PMH2组的免疫反应途径的NES值在所有组中最高，反映了该组的免疫反应相对于其他组最为显著。总体而言，PMH2组主要上调了免疫反应，特别是趋化因子、生物刺激反应和抗体分泌等方面。
3.3 PMH3 中特有 DEG 及其生物学意义的分析
在PMH3组中共鉴定出1313个差异表达基因（DEG），其中562个基因上调，751个基因下调。GO分析揭示了与轴突形成和腺体发育相关的途径，表明PMH3对神经发育和肠腺形成具有促进作用，GO centplot进一步支持了轴突形成和腺体发育之间的联系，显示了两者间的许多共同基因，通过绘制热图、PPI网络图和富集弦图，揭示了轴突形成、轴突发育和腺体发育途径之间的密切关系。
转录组和代谢组联合分析显示，谷氨酸等主要代谢物与神经递质合成相关，突出PMH3在促进神经发生方面的作用。总体结果表明，PMH3不仅促进了婴儿神经系统的完善，特别是通过轴突生成和神经递质合成，还表明轴突生成与腺体发育之间的联系，可能与脑肠轴有关。
3.4 母乳中特有 DEG 的分析
在BM1组中，共鉴定出890个差异表达基因（DEGs），其中412个上调，478个下调。GO分析揭示了与细胞黏附和物质吸收相关的途径，通过热图、蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络图和GO圈图的分析，证实了细胞连接组装途径的上调，这条途径通过增强小肠上皮细胞之间的黏附，有助于小肠黏膜屏障的形成，促进婴幼儿的消化系统功能和营养物质吸收。
在BM2组中，GSEA分析表明，前15条路径与细胞分裂相关，NES值为正，表明母乳促进了小肠类器官细胞的分裂，热图可视化结果显示这些基因普遍上调。IPA分析进一步支持了这一结果，显示组蛋白和细胞周期蛋白上调，促进了细胞周期，表明乳腺分泌物可能具有促进生长的作用。然而，由于未对乳汁的具体成分进行分析，这些生物学效应尚无法与乳汁成分直接联系起来。
本研究通过小肠类器官比较了三种婴儿配方奶粉（0-6个月龄）与母乳在营养吸收和代谢方面的差异，研究采用转录组和代谢组测序技术，分析了差异表达基因（DEG）和差异表达代谢物（DEM），并通过GO、KEGG和GSEA等生物信息学方法进行通路富集分析，探讨了不同样本对婴儿生长发育和肠道健康的影响，展示了配方奶粉和母乳在免疫系统发育、肠道成熟及神经发育方面的不同作用，为婴幼儿营养研究提供了新思路。
Wang X, Zhong Y, Zheng C, et al. Transcriptome and metabolome analyses reveal the effects of formula and breast milk on the growth and development of human small intestinal organoids. Food Res Int. 2024;195:114999. doi:10.1016/j.foodres.2024.114999
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