《Applied and Environmental Microbiology》：Toxoplasma gondii infection disrupts secondary bile acid transformation in feline gut microbiota
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胆汁酸（BA）转化依赖于肠道微生物组，并且易受弓形虫（Toxoplasma gondii）感染的影响，然而关于猫科动物患弓形虫病时微生物的BA转化能力仍不清楚。在此，研究人员构建了一个包含2,474个非冗余猫肠道微生物基因组的目录，并结合血清代谢组学数据来验证
胆汁酸（BA）转化依赖于肠道微生物组，并且易受弓形虫（Toxoplasma gondii）感染的影响，然而关于猫科动物患弓形虫病时微生物的BA转化能力仍不清楚。在此，研究人员构建了一个包含2,474个非冗余猫肠道微生物基因组的目录，并结合血清代谢组学数据来验证BA转化的改变。结果显示，猫肠道微生物组拥有广泛的BA转化遗传潜力，但由于缺乏关键基因baiE，其缺少完整的7α-脱羟基途径。与BA转化相关的基因组（共计2,045个）主要来自Bacillota_A门和Actinomycetota门，其中仅有37个基因组编码baiB，且均属于Bacillota_A门。BA转化相关基因在不同肠段的分布存在差异：编码7α-HSDH的基因主要富集于小肠，而编码3α-HSDH、baiCD和baiH的基因在大肠中更为丰富。此外，在感染后第3天，编码BSH和3α-HSDH的基因丰度在小肠中显著增加，同时伴随着Bacillota_C门以及诸如Blautia_A、Enterococcus_E和Ligilactobacillus等属的增加。血清代谢组学揭示感染后胆固醇水平显著升高，支持了弓形虫感染对肠道BA转化产生影响的观点。这些发现表明，猫肠道微生物组在BA转化中发挥重要作用，并且弓形虫感染破坏了次级BA转化的微生物潜力。本研究为猫弓形虫病期间肠道微生物组相关的代谢紊乱提供了新的见解。
研究背景与科学问题
胆汁酸（Bile Acids, BAs）是肝脏利用胆固醇合成的类固醇衍生物，作为强效的代谢和免疫信号分子，参与脂质吸收、胆固醇稳态及肠肝轴信号调控。宿主肝细胞合成初级BA后，肠道微生物组通过四种主要转化途径——去结合、脱羟基、氧化和差向异构化——将其化学修饰为次级BA。这些转化过程由关键酶介导：胆汁盐水解酶（BSH）负责去结合；bai操纵子介导7α-脱羟基；羟类固醇脱氢酶（HSDHs）催化氧化和差向异构化。肠道微生物组的酶活性决定了BA池的独特组成和功能，而不同肠段的理化环境又通过选择性塑造微生物群落结构来调节BA转化。因此，肠道微生物组与BAs之间存在密切的相互作用。
尽管关于BA的研究日益增多，但猫科动物肠道微生物组在BA转化中的作用仍不明确。弓形虫（Toxoplasma gondii）感染会深刻影响宿主免疫和代谢稳态，并显著改变肠道微生物组的组成和功能。在感染过程中，肠道微生物多样性和特定功能微生物群丰度的变化可能间接影响微生物组的次级BA转化能力。同时，宿主会发生代谢重编程，其中胆固醇代谢和BA信号通路在免疫调节和细胞防御中发挥关键作用。然而，弓形虫感染期间宿主如何调节胆固醇水平以及肠道微生物组的BA转化能力如何变化尚不清楚。
为解答上述问题，研究人员分析了可用的宏基因组数据集，并结合此前发表的血清代谢组学数据，评估弓形虫感染对猫肠道微生物组及次级BA转化的影响。
研究方法
研究人员从Recherche Data Gouv和NCBI数据库获取了多个公共宏基因组项目，经整合去重后保留了来自三个独立项目的444份猫肠道宏基因组样本。原始测序数据经FASTP进行质量控制，使用Bowtie2比对去除宿主序列，采用MEGAHIT进行宏基因组组装，BWA-MEM将reads比对至重叠群，MetaBAT2进行分箱，最终获得22,197个基因组。随后使用CheckM2评估完整度和污染度，筛选后保留10,684个高质量基因组，经dRep聚类去冗余得到2,474个非冗余代表性基因组。利用Prodigal预测开放阅读框，GTDB-tk进行物种注释，PhyloPhlAn构建系统发育树。功能注释方面，使用DIAMOND和BLASTP将蛋白编码基因比对至KEGG数据库，选取15个与次级BA转化关键酶对应的KO编号进行基因筛选。为比较不同宿主物种，研究人员还纳入了人、猪和鸡的代表性宏基因组组装基因组（MAGs）。血清代谢组学数据源自研究人员此前发表的研究，采用超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）平台进行检测。
研究结果
1. 猫肠道微生物组图谱构建
共分析2,474个非冗余代表性基因组，基因组大小范围为0.66~6.20 Mbp，平均2.35 Mbp，GC含量为23.49%~72.53%，平均47.76%。基因组完整度为80.01%~100%，平均92.63%；污染度为0%~4.99%，平均1.17%。其中1,613个基因组达到高质量标准。分类注释显示所有基因组均属于细菌谱系，涵盖17个门、21个纲、48个目、90个科和279个属。绝大多数基因组归属于Bacillota_A门（988个，39.94%），其次为Actinomycetota门（598个，24.17%）和Bacteroidota门（298个，12.05%）。在属水平上，最丰富的属为Collinsella（303个，12.25%）、Blautia_A（139个，5.62%）和Bifidobacterium（106个，4.28%）。
2. BA转化相关基因组目录
基于KEGG功能注释，2,474个基因组中有2,045个至少含有一个与次级BA转化相关的KO。各酶或bai基因对应的基因组数量分别为：baiN（1,446个）、BSH（766个）、3α-HSDH（631个）、baiH（288个）、7α-HSDH（258个）、baiCD（220个）、7β-HSDH（83个）、3β-HSDH（64个）和baiB（37个）。值得注意的是，没有任何基因组含有关键酶baiE，表明猫肠道微生物组可能不存在完整的7α-脱羟基途径。分类注释显示，BA相关KO的存在主要归因于Bacillota_A门和Actinomycetota门。例如，3α-HSDH、7β-HSDH、baiN和baiCD主要与这两个门的基因组相关；baiB则完全存在于Bacillota_A门中。
3. 不同宿主物种间BA转化相关基因组的比较
与人（2,294个MAGs）、猪（1,411个MAGs）和鸡（2,113个MAGs）的比较分析显示，四个宿主物种中BA相关MAGs的比例高度相似，baiN（K07007）和BSH（K01442）的占比均为最高。在门水平上，Bacillota_A是所有四个宿主物种BA相关MAGs的主要贡献者。Actinomycetota是猫肠道微生物组中的次要贡献者，占26.61%，而Bacteroidota在其他三个宿主物种中充当次要贡献者。
4. BA相关基因的分布与区域差异
随着样本量增加，KO丰富度的稀释曲线趋于饱和。Alpha多样性分析显示，大肠中BA相关基因的多样性和丰富度显著高于小肠。主坐标分析（PCoA）基于Bray-Curtis距离显示大小肠之间的BA相关基因组成存在显著差异。丰度分析表明，baiN和BSH相关基因在大小肠中均丰富，而7α-HSDH相关基因在小肠中相对丰度更高，3α-HSDH、baiCD和baiH相关基因则在大肠中更丰富。门水平的分类分析显示，大小肠中BA相关基因的分布模式不同。
5. 弓形虫感染破坏BA转化
Alpha多样性分析显示，仅在感染后第3天的小肠中BA相关基因的丰富度显著增加。PCoA进一步表明感染后BA相关基因组成的改变主要发生小肠。丰度分析发现，仅编码3α-HSDH和BSH的基因相对丰度在感染后第3天的小肠中显著增加，且呈现先增后减的趋势。分类分析显示，Bacillota_C门以及Blautia_A、Enterococcus_E和Ligilactobacillus属在小肠中的丰度在感染后第3天显著增加。血清代谢组学整合分析表明，感染后胆固醇水平显著升高。
讨论与结论
研究表明，猫肠道微生物组拥有广泛的BA转化遗传潜力，但缺乏完整的7α-脱羟基途径，这主要是由于关键基因baiE的缺失。BA转化主要由去结合和HSDH介导的修饰等广泛分布的功能完成。Bacillota_A和Actinomycetota是两个主导门类，它们在次级BA转化中发挥核心作用。不同肠段的功能基因分布存在差异：小肠微生物组可能在BA 7α-羟基的氧化还原反应中起关键作用，而大肠微生物组更倾向于承担BA转化的中间步骤。
弓形虫感染优先破坏小肠微生物组的BA转化能力，表现为感染后第3天编码3α-HSDH和BSH的基因丰度增加，以及Bacillota_C门和特定菌属的扩增。这与小肠作为弓形虫入侵和复制的主要位点、经历剧烈炎症和黏膜损伤的生理特征相符。血清胆固醇水平的升高进一步支持了感染对BA转化和胆固醇代谢的影响。
本研究阐明了猫肠道微生物组的BA转化能力及弓形虫感染对其的影响，为弓形虫病期间肠道微生物组相关的代谢失调提供了新见解，并为未来宿主-寄生虫-肠道微生物组互作研究奠定了理论基础。论文发表在《Applied and Environmental Microbiology》。
研究结论翻译
在本研究中，研究人员构建了一个包含2,474个猫肠道微生物基因组的目录，并结合血清代谢组学数据，表征了胆汁酸（BA）转化及其在弓形虫感染后的变化。结果显示，猫肠道微生物组拥有广泛的BA转化遗传潜力，但缺少完整的7α-脱羟基途径。此外，BA转化的具体功能在不同肠段之间存在差异。小肠微生物组可能在BA 7α-羟基的氧化还原反应中发挥关键作用，而大肠微生物组似乎更倾向于承担BA转化的中间步骤。另外，弓形虫感染破坏了小肠中的BA转化能力，表现为BA转化相关基因丰度增加和血清胆固醇水平升高。本研究的发现为猫弓形虫病期间肠道微生物组相关的代谢紊乱提供了新的见解。
