2区4.2分！16S rRNA测序+LC-MS非靶向代谢组生信分析：低聚半乳糖剂量依赖性重塑小鼠盲肠菌群结构，下调磷脂酰胆碱？肠道屏障保护新机制！- 大数跨境

2区4.2分！16S rRNA测序+LC-MS非靶向代谢组生信分析：低聚半乳糖剂量依赖性重塑小鼠盲肠菌群结构，下调磷脂酰胆碱？肠道屏障保护新机制！

CNS生信新靶点挖掘

2026-04-22

导读：低聚半乳糖是公认的益生元，但其对肠道菌群非短链脂肪酸代谢产物的调控尚不明确。本研究通过16S rRNA测序与LC-MS非靶向代谢组学，首次系统揭示了GOS在健康小鼠盲肠中剂量依赖性的差异化代谢调控。为

低聚半乳糖是公认的益生元，但其对肠道菌群非短链脂肪酸代谢产物的调控尚不明确。本研究通过16S rRNA测序与LC-MS非靶向代谢组学，首次系统揭示了GOS在健康小鼠盲肠中剂量依赖性的差异化代谢调控：低剂量GOS显著富集Faecalimonas等产丁酸菌，并降低磷脂酰胆碱/乙醇胺及其溶血衍生物水平；高剂量GOS则促进色氨酸微生物代谢转向吲哚-3-乙酸生成，同时抑制苯乙酸等潜在有害代谢物。该研究为GOS通过磷脂与芳香族氨基酸代谢维护肠道健康提供了全新分子靶点。

今天给大家解读一篇3月发表在《Microorganisms》上的题目为“Effects of Galacto-Oligosaccharide Supplementation on Cecal Microbiota, Phospholipid and Aromatic Amino Acid Metabolism in Mice.”的文章。该研究将24只4周龄雄性C57BL/6小鼠随机分为对照组、低剂量GOS组（约500 mg/kg/d）和高剂量GOS组（约800 mg/kg/d），通过饮水给予GOS干预4周。收集盲肠内容物进行16S rRNA基因测序和液相色谱-质谱非靶向代谢组学分析。结果显示，GOS补充显著增加了盲肠细菌的ACE和Chao1指数，改变了菌群组成，例如低剂量GOS富集了[Eubacterium] brachy group、Coriobacteriaceae UCG-002等菌属，而高剂量GOS富集了Clostridium、Adlercreutzia等菌属。代谢组学方面，低剂量GOS显著降低了多种磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、溶血磷脂和神经酰胺的水平，同时增加了鞘脂水平；高剂量GOS则显著改变了芳香族氨基酸代谢物，如降低苯乙酸、4-羟基苯乳酸，升高吲哚-3-乙酸。研究结论认为GOS可重塑盲肠微生物群落并调节磷脂和芳香族氨基酸代谢，且不同剂量发挥不同调控作用。（请持续关注我们，每天为您解读最新见刊的文献!）想薅生信资料羊毛？直接在对话框回复 “资料”，免费领取干货大礼包！包括数据集、绘图代码、图表复现、思路总结、参考文献……0代码！鼠标点点点即可轻松完成5-10分生信SCI全文复现！

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题目：《半乳寡糖补充对小鼠盲肠微生物群、磷脂及芳香族氨基酸代谢的影响》Effects of Galacto-Oligosaccharide Supplementation on Cecal Microbiota, Phospholipid and Aromatic Amino Acid Metabolism in Mice

发表期刊：Microorganisms

影响因子：4.2

研究背景：

功能性低聚糖作为重要的益生元成分，广泛应用于维持宿主健康、调节肠道微生态及辅助治疗多种疾病。半乳寡糖（GOS）由1–5个半乳糖单体以β(1→3)、β(1→6)或β(1→4)糖苷键连接，末端含葡萄糖残基，天然存在于母乳中。GOS可抵抗上消化道消化，到达后肠作为有益菌的选择性营养底物。已有研究表明GOS能促进短链脂肪酸产生，但其对其他肠道微生物代谢物的调控作用尚不明确。肠道微生物对脂质和蛋白质营养素的发酵产物与宿主肠道健康密切相关，但GOS对这些代谢物的影响知之甚少。因此，本研究假设GOS可能显著重塑后肠细菌的代谢谱（超出短链脂肪酸），并利用基于液相色谱-质谱的非靶向代谢组学分析来验证。

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研究思路：

动物模型与分组
24只4周龄雄性C57BL/6小鼠随机分为3组（每组8只）：对照组（饮水）、低剂量GOS组（3 mg/mL饮水，估计摄入500 mg/kg/d）、高剂量GOS组（5 mg/mL饮水，估计摄入800 mg/kg/d）。适应1周后干预4周。
样本采集
第28天处死小鼠，收集盲肠内容物，保存于-80°C。
微生物分析
提取DNA，扩增16S rRNA基因V3-V4区，Illumina测序。分析α多样性（Shannon、Simpson、ACE、Chao1）和β多样性（PCoA），通过LEfSe鉴定差异菌属。
代谢组学分析
取盲肠内容物50 mg，用含L-2-氯苯丙氨酸的提取液进行代谢物提取，采用超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱（UHPLC-QExactiveHF-X）在正负离子模式下检测。通过Progenesis QI处理数据，与HMDB、Metlin及内部数据库匹配。采用PCA和OPLS-DA分析差异代谢物，以VIP>1、p<0.05、fold change>1为筛选标准。KEGG通路富集分析。
统计分析
α多样性用SPSS（Kruskal-Wallis检验，FDR校正），β多样性用AMOVA，LEfSe（LDA>2），代谢组用独立样本t检验。

研究亮点：

首次系统揭示了GOS补充对小鼠盲肠中除短链脂肪酸以外的其他微生物代谢物的调节作用，特别是磷脂和芳香族氨基酸代谢。
发现GOS的剂量效应差异：低剂量主要影响磷脂代谢，高剂量主要影响芳香族氨基酸代谢。
观察到高剂量GOS显著上调了具有抗炎等生物活性的吲哚-3-乙酸水平，同时降低了对肠道不利的苯乙酸水平。

研究结果：

细菌丰富度增加
GOS补充显著提高了ACE和Chao1指数（p<0.05），但Shannon和Simpson指数无显著变化。PCoA显示GOS处理组与对照组群落结构显著分离。
菌群组成改变
在门水平，Firmicutes、Bacteroidetes、Desulfobacterota为主要菌门，GOS未显著改变其相对丰度。在属水平，低剂量GOS显著富集了[Eubacterium] brachy group、Coriobacteriaceae UCG-002、Faecalimonas、[Eubacterium] siraeum group等，降低了Escherichia-Shigella、Anaerovorax等；高剂量GOS显著富集了Clostridium、Ruminiclostridium、Thomasclavelia、Adlercreutzia、Faecalimonas，降低了Anaerovorax等。
磷脂代谢调节
低剂量GOS组中，7种磷脂酰胆碱（Pc）、6种磷脂酰乙醇胺（Pe）、9种溶血磷脂酰胆碱（Lpc）、14种溶血磷脂酰乙醇胺（Lpe）显著下调；2种鞘脂（Sl）上调，15种神经酰胺（Cer）及其磷酸化衍生物显著下调。高剂量GOS组中，3种Pc、3种Lpc和5种Cer下调，3种Sl上调，但变化数量少于低剂量组。
芳香族氨基酸代谢调节
高剂量GOS组中，苯乙酸、4-羟基苯乳酸、吲哚-3-乳酸等显著降低，而吲哚-3-乙酰谷氨酸和吲哚-3-乙酸显著升高。低剂量GOS组中，苯乙酸、N-乳酰苯丙氨酸、吲哚-3-乙酰-L-丙氨酸降低，4-羟基苯丙酮酸和2-羟基苯乙酸升高。此外，含有苯丙氨酸、酪氨酸或色氨酸的短肽在两组GOS处理组中均显著减少。

研究总结：

结论：膳食GOS补充可重塑小鼠盲肠细菌群落结构，并调节相关的磷脂和芳香族氨基酸代谢谱。低剂量GOS主要调控盲肠中的磷脂代谢（减少磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺及其下游代谢物，抑制鞘脂向神经酰胺转化），高剂量GOS主要改变芳香族氨基酸的微生物代谢途径（降低苯乙酸，增加吲哚-3-乙酸）。这些发现为GOS在肠道健康干预中的应用提供了新的机制见解和潜在分子靶点。

讨论要点：

GOS增加肠道细菌丰富度，有利于维持稳定的肠道微生态系统。富集的菌属如[Eubacterium] brachy group、Faecalimonas等是关键的丁酸产生菌，有助于维持肠道屏障和免疫稳态；Christensenellaceae R-7 group和Coriobacteriaceae UCG-002具有抗炎潜力。同时，GOS抑制了条件致病菌Escherichia-Shigella和蛋白降解菌Anaerovorax的生长。
磷脂代谢变化：低剂量GOS降低盲肠Pc水平，可能与GOS促进肠上皮细胞更新有关；Bacteroides可将Pc代谢为Lpc，但其相对丰度略有下降，导致Lpc减少。Pe水平降低可能与GOS增强肝肠系统线粒体抗氧化能力、减少线粒体损伤有关。Sl水平升高而Cer降低，提示GOS抑制Sl向Cer的降解，由于Sl具有抗癌活性而Cer促进细胞凋亡，此调节可能有利于肠道健康。
芳香族氨基酸代谢变化：GOS处理降低苯乙酸水平，可能与苯丙氨酸降解菌（如Escherichia-Shigella、Bacteroides）丰度降低有关。低剂量GOS升高4-羟基苯丙酮酸，高剂量GOS降低其终产物4-羟基苯乳酸，显示剂量依赖性调节酪氨酸代谢。高剂量GOS显著增加吲哚-3-乙酸（具有抗炎作用），同时降低犬尿氨酸胺（宿主色氨酸代谢产物），提示GOS促进色氨酸向微生物代谢途径分流。
局限性：样本量较小（代谢组学每组n=6），仅一个时间点，且仅在健康小鼠中进行，未来需在疾病模型中验证。

结果译文：

1. GOS补充增加小鼠盲肠细菌丰富度

经16S rRNA测序质量控制后，所有样本共获得1,488,037条高质量序列，平均每样本62,001条。以97%序列相似性为阈值，每样本平均OTU数为494。PCoA显示，CON组与GOS处理组小鼠的盲肠细菌群落之间存在显著分离（p < 0.05；图1B）。相比之下，L-GOS与H-GOS组之间未观察到显著分离。对各组内细菌多样性指数的变化也进行了评估（图1C-F）。与CON组相比，不同剂量的GOS处理未显著影响Shannon或Simpson指数（图1C,D）。然而，GOS处理显著提高了ACE和Chao1指数（p < 0.05；图1E,F）。

2.GOS补充改变小鼠盲肠细菌组成

分类学鉴定出九个细菌门，其中厚壁菌门、拟杆菌门和脱硫杆菌门是小鼠盲肠内容物中的优势菌门，合计占相对丰度的90%以上（图2A）。对这些菌门的统计分析显示，L-GOS或H-GOS均未显著影响盲肠内容物中厚壁菌门、拟杆菌门、脱硫杆菌门、放线菌门、变形菌门、弯曲菌门或蓝细菌门的相对丰度（p > 0.05；图2B-J）。

基于前50个最丰富属的欧氏层次聚类分析显示，L-GOS小鼠的属水平丰度谱与CON小鼠显著不同，而H-GOS小鼠则表现出与CON小鼠相似的谱图（图3A）。LEfSe分析鉴定了L-GOS与CON组之间的差异丰富属。Christensenellaceae R-7 group、norank Clostridia、Gordonibacter、[Eubacterium] brachy group、Coriobacteriaceae UCG-002、unclassified Anaerovoracaceae、Faecalimonas和[Eubacterium] siraeum group等属在L-GOS组中显著富集（LDA评分[log10] > 2；图3B）。相反，Anaerovorax、Escherichia-Shigella、Intestinimonas、Oscillibacter和norank [Eubacterium] coprostanoligenes_group等属在CON组中显著富集（图3B）。H-GOS与CON组之间也观察到细菌属的显著差异（图3C）。Clostridium、Ruminiclostridium、Thomasclavella、Adlercreutzia和Faecalimonas等属在H-GOS小鼠中富集，而Anaerovorax、Negativibacillus和Candidatus Soleaferrea在CON小鼠中富集（图3C）。

3.GOS补充改变小鼠盲肠代谢谱

为平衡重复成本与必要重复数，我们每组随机选择六个样本进行代谢物分析。在正离子和负离子模式下分别检测到2256和2557种代谢物（补充表S1和S2）。维恩图分析显示，三组共有4197种代谢物，而CON、L-GOS和H-GOS组分别独有75、44和78种代谢物（图4A）。基于与CON组表达模式相似性，前200种代谢物的聚类分析将其分为10个亚簇（图4B）。值得注意的是，L-GOS和H-GOS组彼此聚类更紧密，而两者与CON组的聚类距离较远。尽管PCA得分图（PC1 = 17%，PC2 = 14.4%）未将GOS处理组与CON组清晰分离（图4C），PLS-DA得分图显示两个GOS处理组与CON组之间存在明显分离（图4C）。

火山图分析显示，L-GOS与CON组之间存在532种差异代谢物，其中L-GOS小鼠中285种上调，247种下调（图5A）。H-GOS与CON组之间存在492种差异代谢物，其中H-GOS小鼠中173种上调，319种下调（图5B）。在全局代谢组差异分析中，L-GOS与CON组之间鉴定出101种脂质和类脂分子，占总差异代谢物的19%（图5C）。同时，H-GOS与CON组之间鉴定出110种丰度显著改变的小肽（二肽或三肽）（图5D），占差异代谢物的最大比例（22.3%）。差异代谢物的详细信息（包括化合物名称、p值、VIP评分和倍数变化）见补充表S1和S2。

4.GOS补充调节小鼠盲肠内容物中磷脂衍生物水平

KEGG通路富集分析显示，L-GOS与CON组之间的差异代谢物在多个脂肪酸代谢通路中显著富集（图S1A）。这些差异脂质和类脂分子主要包括磷脂酰乙醇胺（Pe）、磷脂酰胆碱（Pc）、鞘脂（Sl）及其下游代谢产物，包括溶血磷脂酰乙醇胺（Lpe）、溶血磷脂酰胆碱（Lpc）和神经酰胺（Cer）（图6A）。具体而言，与CON组相比，L-GOS小鼠中七种PC（如Pc(p-16:0/0:0)、Pc(O-18:0/0:0)、Pc(20:4/0:0)、Pc(p-18:0/0:0)、Pc(16:0/20:4)、Pc(20:3/0:0)和Pc(22:6/0:0)）和六种Pe（如Pe(p-16:0/0:0)、Pe(p-18:0/0:0)、Pe(O-16:0/0:0)、Pe(O-16:2/2:0)、Pe(O-16:4/6:0)和Pe(p-16:0/20:5)）的丰度显著下调（图6B,C）。同时，L-GOS小鼠中九种Lpc和十四种Lpe的丰度也显著降低（图6D,E）。此外，两种Sl（Sl(18:0_0/15:0)和Sl(16:0_0/15:0)）在L-GOS小鼠中显著上调。同时，十五种Cer及其磷酸化衍生物（如Cerns、Cer(16:0_20/16:2)、Cer(18:1_20/20:2)、Cerap、Cer(18:1_20/12:0)、Cer(19:2_20/14:0)、Cer(9:1_20/20:3)、CerP(15:1_20/12:0)、CerP(18:0_20/20:0)、CerP(15:1_20/10:0)、CerP(d17:0/2:0)、CerP(d19:1/2:0)、CerP(15:1_20/14:0)、CerP(d18:1/2:0)和CerP(14:1_20/14:0)）的丰度在L-GOS小鼠中显著下调（图6F-H）。尽管在H-GOS与CON组之间检测到一些磷脂代谢物的变化，但变化数量少于L-GOS组（图6I,J）。具体而言，三种PC、三种LPC和五种Cer的丰度显著降低，而三种Sl的丰度显著升高（图6K,L）。

5.GOS补充调节小鼠盲肠内容物中芳香族氨基酸组成

KEGG通路富集分析进一步显示，包括酪氨酸代谢和色氨酸代谢在内的信号通路在GOS处理组中显著富集（图S1B）。值得注意的是，H-GOS与CON组之间存在七种肠道细菌来源的芳香族氨基酸代谢物丰度改变（图7A,B）。与CON组相比，H-GOS组中N-乳糖基苯丙氨酸、苯乙酸、4-羟基苯乙酸、吲哚-3-乳酸和吲哚-3-乙酰-L-丙氨酸的丰度显著降低，而吲哚-3-乙酰谷氨酸和吲哚-3-乙酸的丰度显著升高。此外，H-GOS组中31种含苯丙氨酸、酪氨酸或色氨酸的小肽丰度显著降低（图7C,D）。同样，L-GOS与CON组之间存在五种肠道细菌来源的芳香族氨基酸代谢物丰度改变。如图7E所示，与CON组相比，L-GOS组盲肠中N-乳糖基苯丙氨酸、苯乙酸和吲哚-3-乙酰-L-丙氨酸的丰度显著降低，而4-羟基苯丙酮酸和2-羟基苯乙酸的丰度显著升高。同时，L-GOS组中11种含苯丙氨酸、酪氨酸或色氨酸的小肽丰度显著降低（图7F）。

更多结果和补充图表：doi：10.3390/microorganisms14030652

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