肥胖患者减重代谢手术后2年粪便蛋白质组与宏蛋白质组的重塑

《mSystems》：Reshaping of the fecal proteome and metaproteome in obese patients 2 years after bariatric surgery

　　

减重代谢手术可为重度肥胖患者提供有效且持久的体重下降。手术操作本身以及术后管理（包括饮食与行为改变）已知可诱导肠道微生物群组成的长期改变。然而，这些因素对微生物与宿主蛋白质组谱的影响仍知之甚少。在这项前瞻性、多中心队列研究中，研究人员比较了45例重度肥胖患者术前基线（T0）及术后2年（T1）的粪便宏蛋白质组谱。患者被随机分配接受Roux-en-Y胃旁路术或单吻合口胃旁路术。T1时，细菌属Akkermansia、Anaerotignum、Desulfovibrio、Streptococcus和Veillonella的相对丰度显著升高，而Faecalibacterium和Romboutsia的相对丰度降低。此外，研究人员观察到，参与糖酵解、短链脂肪酸生物合成、氨基酸代谢及辅因子/维生素生物合成的微生物酶，以及由Enterobacterales编码的多种外膜蛋白的相对丰度显著增加。相反，若干参与氧化磷酸化和孢子形成的蛋白丰度降低。与此同时，74种人源蛋白在T1时相对丰度显著升高，且主要与免疫功能相关，而多种消化酶则呈下降趋势。上述数据表明，减重代谢手术后2年，粪便蛋白质组与宏蛋白质组仍持续存在显著重塑。未来仍需进一步研究以阐明宿主-微生物群相互作用的机制层面，并识别其与长期临床结局的关联。

该文发表于《mSystems》，聚焦减重代谢手术（bariatric/metabolic surgery，BMS）后肠道生态系统长期分子重塑这一关键问题。重度肥胖不仅表现为体重和脂肪堆积异常，还伴随糖脂代谢紊乱、食欲调控失衡及肠道微生态异常。既往研究已较充分证明，Roux-en-Y胃旁路术（Roux-en-Y gastric bypass，RYGB）和单吻合口胃旁路术（one anastomosis gastric bypass，OAGB）能够通过限制摄食与改变小肠营养流向，带来显著且持久的减重与代谢获益；同时，这类术式还会重塑胆汁酸循环、胃肠解剖结构及营养吸收环境，从而深刻影响肠道微生物群（gut microbiota，GM）。然而，目前多数证据主要来源于DNA测序，只能描述菌群“有哪些”，却难以回答菌群“在做什么”，也难以同步揭示宿主端蛋白水平的适应性变化。因此，有必要通过宏蛋白质组学（metaproteomics）直接表征术后肠道微生物功能状态与宿主蛋白反应，进而更完整地理解BMS后宿主-微生物互作的长期变化。

本研究纳入45例来自意大利3家学术高流量中心的重度肥胖患者，采用前瞻性、多中心、纵向配对设计，比对术前基线（T0）与术后2年（T1）的粪便样本。研究人员将接受RYGB与OAGB的患者合并分析，理由是两种术式的代谢结局相近且单独分组后统计效能不足。研究结果显示，BMS术后2年，患者粪便宏蛋白质组出现持续而明确的结构与功能重塑：在微生物分类层面，Akkermansia、Streptococcus、Veillonella、Desulfovibrio和Anaerotignum增加，Faecalibacterium与Romboutsia下降；在微生物功能层面，糖酵解、短链脂肪酸生成、氨基酸代谢、辅因子/维生素合成及革兰阴性菌外膜相关蛋白增强，而氧化磷酸化和孢子形成相关功能减弱；在宿主层面，免疫相关蛋白普遍升高，消化酶则整体下降。研究据此认为，BMS不仅改变菌群组成，更在至少2年尺度上持续改造肠道生态功能及宿主黏膜/分泌环境。这一发现的重要意义在于，它从功能层面补强了既往基于测序的结论，提示术后长期疗效与不良反应的形成，可能与宿主及微生物蛋白网络的协同重塑密切相关，也说明宏蛋白质组学可为术后营养管理、代谢监测及靶向微生态干预提供候选分子线索。

研究所用主要技术方法可概括如下：研究对象为45例重度肥胖患者，样本来源于术前与术后2年的配对粪便队列。研究人员采用液相色谱-串联质谱（liquid chromatography-tandem mass spectrometry，LC-MS/MS）对胰蛋白酶解后的粪便肽段进行无标记检测；利用Proteome Discoverer进行肽段鉴定与定量，以人肠道宏基因组蛋白数据库和人参考蛋白组数据库联合检索；通过Unipept进行微生物分类注释，借助eggNOG-mapper完成KEGG KO与COG功能注释；使用Meta4P聚合丰度矩阵，并以主成分分析（PCA）、配对Student’s t检验、Benjamini-Hochberg多重校正、相关性分析以及STRING/Reactome富集分析，系统评估微生物功能与宿主蛋白变化。

在“Experimental design and general metrics”部分，研究人员首先建立了术前与术后2年的纵向宏蛋白质组比较框架。共鉴定到101,602条非冗余肽段，其中微生物肽段94,691条、人源肽段6,771条，另有140条为歧义肽段。术后T1时，微生物/人源肽段丰度比值显著升高，提示粪便中可能存在微生物生物量增加和/或宿主成分减少。进一步分析显示，微生物分类单元、微生物功能及宿主蛋白的“丰富度”未显著改变，但基于Shannon指数计算的α多样性在微生物分类层面和宿主蛋白层面均显著升高，说明术后变化主要体现为丰度分布再平衡，而非单纯的特征增加或丢失。PCA未出现清晰聚类，反映出个体间微生态差异较大。

在“Taxonomic changes in the fecal metaproteome after BMS”部分，研究人员将微生物肽段按分类学层级聚合，系统评估BMS后菌群组成变化。结果显示，在属水平这一兼顾注释分辨率与覆盖率的层级上，Akkermansia、Anaerotignum、Desulfovibrio、Streptococcus和Veillonella在T1显著升高，而Faecalibacterium和Romboutsia显著降低。该结果与既往基于DNA测序观察到的术后菌群改变总体一致，提示宏蛋白质组数据能够在功能表达层面复现手术后的核心分类学重排。其中，Streptococcus和Veillonella的同步上升提示发酵链条可能发生协同增强；Faecalibacterium作为健康肠道中重要的关键属（keystone genus）下降，则提示术后生态位与代谢底物环境发生了持续偏移。

在“Functional changes in the fecal metaproteome after BMS”部分，研究人员进一步从功能层面揭示微生物代谢网络重构。共检测到1,801种非冗余KEGG KO功能。统计后归纳出28项在T1升高、6项在T0更高的差异功能。首先，在糖酵解通路中，6种酶于T1升高，其中4种明确归属于Streptococcus，说明该属不仅相对丰度升高，而且其糖代谢活性同步增强。其次，在除糖酵解外的碳水化合物代谢中，多种与葡萄糖、丙酮酸、甘油脂代谢及磷酸转移酶系统（phosphotransferase system，PTS）相关的酶上调，表明术后菌群对可利用碳源的摄取、转运与转化能力发生适应性加强。

在氨基酸代谢方面，Streptococcus来源的谷氨酸脱氢酶、Eubacteriales编码的乙酰鸟氨酸/N-琥珀酰二氨基庚二酸氨基转移酶，以及Bacillota来源的蛋氨酸-γ-裂解酶在T1更高，提示氮代谢和部分氨基酸生物合成途径活跃度上升。在辅因子和维生素代谢方面，Prevotella表达的6,7-二甲基-8-核糖醇基鲁米嗪合酶以及Gammaproteobacteria编码的NAD(P)H-醌脱氢酶上调，分别涉及核黄素（维生素B₂）与泛醌（辅酶Q₁₀）代谢。在核苷酸结合与代谢方面，Faecalibacterium来源的2′,3′-环核苷酸2′-磷酸二酯酶/3′-核苷酸酶以及Enterobacterales来源DNA结合蛋白增加，提示部分菌属可能通过核苷回收途径（nucleotide salvage pathway）适应术后更具竞争性的肠道环境。

在细胞包膜与膜蛋白层面，T1升高的6项差异功能主要属于革兰阴性菌细胞壁或外膜成分，包括murein脂蛋白、多个孔蛋白以及Desulfovibrio编码的肽聚糖相关脂蛋白。这表明Enterobacterales及相关Pseudomonadota谱系在术后不仅分类学占比升高，其与环境适应、营养交换及宿主界面相互作用相关的表面结构蛋白也同步增强。相反，T0更高的功能包括核苷二磷酸激酶、二氢乳清酸脱氢酶、F型ATP酶亚基、孢子外壳蛋白，以及Bacteroidota来源的L-阿拉伯糖异构酶和Prevotella来源丝氨酸蛋白酶抑制剂（serpin），说明术后某些与氧化磷酸化、孢子形成及特定底物利用相关的功能被削弱。

在“Comparison with fecal metaproteome features from healthy subjects”部分，研究人员将本研究中显著变化的分类学与功能学特征，与134名健康个体粪便宏蛋白质组荟萃数据进行比较。由于不同研究之间可能存在样本处理与仪器平台差异，作者采用相对排序分布而非绝对丰度进行参照。比较结果显示，多数在T1升高的菌属或功能，其排序与健康人群相比偏离程度反而大于T0，尤其是Streptococcus相关功能。这意味着BMS术后形成的肠道生态平衡，并非简单向“健康正常体重人群”状态回归，而是趋向另一种由术后解剖、生理、代谢与营养条件共同塑造的新稳态。

在“Human fecal proteins changing in abundance after BMS”部分，研究人员分析了宿主粪便蛋白重塑。共发现88种人源蛋白在两个时间点间存在显著差异，其中74种在T1升高，14种在T0更高。富集分析显示，T1升高蛋白主要涉及中性粒细胞脱颗粒（neutrophil degranulation）、糖酵解、肌肉收缩和免疫系统等通路，且可形成若干分子网络。相反，T0更高的蛋白多为胰腺分泌且参与蛋白消化的酶，如羧肽酶A1、羧肽酶B、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶样弹性蛋白酶家族成员3A等，并伴有部分免疫相关蛋白。这一结果说明，术后胆胰分泌改道及消化环境变化在粪便蛋白层面留下了明确印记；与此同时，宿主黏膜防御、炎症反应及上皮稳态调节相关蛋白则长期升高。

在“Correlation between metaproteome features and clinical parameters”部分，研究人员将主要宏蛋白质组特征与BMI、超额BMI丢失及多项人体测量和血液指标进行相关分析。结果显示，T0时Dorea编码的甲基半乳糖苷转运系统底物结合蛋白与同期血胆固醇浓度呈显著正相关；T1时Prevotella编码的endo-1,4-beta-xylanase与同期血高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）呈显著负相关；此外，T1时细菌泛指来源的固氮蛋白NifU与皮质醇变化相关。值得注意的是，未发现T0宏蛋白质组特征与主要减重结局即超额BMI丢失存在显著预测性相关，提示本研究所见分子重塑与临床获益之间的关系仍需更大样本进一步验证。

讨论部分强调，本研究的主要优势在于：其一，采用个体化、纵向、术前-术后2年的配对设计，而非样本池化策略，因而提高了结果的可靠性与分辨率；其二，同时获得了微生物与宿主两端的蛋白质组学信息，能够整合分析术后宿主-微生物互作。研究人员指出，宏蛋白质组学不仅证实了既往测序研究中常见的分类学变化，也进一步揭示了这些变化对应的功能后果。术后α多样性升高而丰富度稳定，提示微生态系统趋向新的均衡状态；Streptococcus、Veillonella与Anaerotignum等上升并伴随相关糖酵解和丙酸生成功能增强，说明发酵生态位可能扩大；Faecalibacterium下降则反映术后胆汁酸环境和营养生态位变化对关键共生菌的持续影响。与此同时，宿主端蛋白变化提示，BMS后长期存在消化酶输出下降、免疫防御和黏膜稳态相关蛋白上调的现象，这为理解术后营养适应、炎症调控及潜在不良反应提供了分子依据。

研究结论部分可译为：综上所述，这些发现突显了宏蛋白质组学在捕获肠道微生物群动态功能维度方面的价值，并强调了潜在微生物与宿主蛋白生物标志物的重要性；这些标志物有望为术后结局管理提供信息，包括营养适应与代谢健康。