《Nature Metabolism》：Atlas of one-carbon metabolism in conventional and germ-free mice reveals folate as a key determinant of biochemical pathways
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叶酸一碳代谢（OCM）是支撑DNA甲基化、核苷酸合成等关键生命过程的核心网络，其稳态失衡与多种疾病相关。然而，由于缺乏精准的组织水平测量方法，叶酸的体内分布、代谢通量及其与肠道菌群的互作机制尚不清晰。本研究开发了优化的液相色谱-质谱（LC-MS）工作流程，首次绘制了常规与无菌小鼠37种组织中的叶酸（维生素B9）及OCM相关代谢物图谱。研究发现，肠道菌群是膳食叶酸的净消耗者，而非主要生产者，其存在显著降低了宿主对叶酸的利用。无菌条件下，小鼠肠道内容物叶酸水平升高，多个组织呈现叶酸丰度、谷氨酸化状态（polyglutamylation）及5-甲基四氢叶酸（5-m-THF）/四氢叶酸（THF）比例的性别特异性改变。该研究创建了交互式“OCM图谱”资源，将微生物叶酸消耗直接与其对宿主整体代谢（包括甲基供体丰度和TCA循环等）的全局性影响联系起来，为理解营养、菌群与宿主代谢的互作提供了新视角。
叶酸，这个我们常从绿叶蔬菜和营养补充剂中获取的维生素B9，是生命活动中一个低调却至关重要的“多面手”。它参与的一碳代谢（One-Carbon Metabolism, OCM）循环，如同细胞内的一个微型“碳原子中转站”，为DNA甲基化、遗传物质（核苷酸）合成、氨基酸转换等基础生化过程提供必需的单碳单位。然而，关于我们身体里叶酸的真实“家底”——它在不同器官组织中究竟以何种形式、多少数量存在，以及我们肠道内数以万亿计的微生物邻居是帮助我们生产叶酸，还是在与我们“争抢”这份营养——科学界却知之甚少。传统检测方法大多只能测量血液中的总叶酸水平，无法窥探复杂组织内形态各异的叶酸衍生物（vitamers）及其被修饰（如连接多个谷氨酸，即polyglutamylation）的状态。这种认知的空白，限制了我们深入理解叶酸缺乏为何与从神经管缺陷到肥胖、脂肪肝等多种疾病相关联。为了绘制这幅缺失的“体内叶酸地图”，揭示肠道菌群在其中的角色，由Rohan D. Danner等人领导的研究团队进行了一项开创性的工作。
为开展这项研究，作者首先优化并建立了一个稳定的、基于液相色谱-质谱（LC-MS）的代谢组学工作流程，用于同时定量生物样本中的各种叶酸衍生物及OCM相关通路的前体和产物。他们利用这一技术，系统分析了来自常规饲养（Conventional, CV）和无菌（Germ-Free, GF）条件下，雄性及雌性C57BL/6小鼠的共37种组织和肠道内容物。通过比较CV与GF小鼠，以及膳食叶酸充足与缺乏的小鼠模型，他们深入探究了肠道菌群对宿主叶酸代谢的影响。
研究结果
一、 优化的叶酸提取和代谢组学方法揭示了组织间叶酸的异质性
研究人员克服了叶酸不稳定、易相互转化等技术挑战，建立了一套包含抗氧化缓冲液提取、结合酶（conjugase）处理以区分单谷氨酸化和多谷氨酸化叶酸、固相萃取净化和LC-MS定量分析的完整方案。应用该方法绘制的小鼠“叶酸图谱”显示，叶酸水平在不同组织间差异巨大，肝脏中浓度最高，而胃肠道内容物中的叶酸水平却出乎意料地低。
二、 肠道微生物组是叶酸的净消费者而非生产者
与常规小鼠相比，无菌小鼠肠道内容物中的叶酸水平显著升高。这表明在稳态条件下，肠道菌群消耗了膳食中的叶酸，降低了宿主可利用的叶酸水平。当给小鼠喂食叶酸缺乏饲料时，其大肠内容物中细菌合成叶酸的前体——蝶酸（pteroate）增加，提示菌群在叶酸短缺时会启动自身合成。
三、 在大多数非胃肠道组织中观察到叶酸分布的性别二态性
研究发现了显著的性别差异。在无菌雄性小鼠中，多数非胃肠道组织的叶酸水平高于常规小鼠，提示菌群清除后叶酸利用率整体提升。而在无菌雌性小鼠中，这种变化则不明显，例如肝脏、胆囊、肾脏等组织的叶酸水平无显著变化。
四、 叶酸多谷氨酸化与叶酸可用性成正比
组织叶酸主要以单谷氨酸化形式存在，其多谷氨酸化的比例在不同组织间差异很大。相关性分析表明，叶酸的多谷氨酸化水平与组织总叶酸含量呈正相关，但不受叶酸可用性变化的调节。这种多谷氨酸化状态的改变，与调控此过程的两个关键酶——叶酰聚谷氨酸合成酶（Fpgs）和γ-谷氨酰水解酶（Ggh）的基因表达比例变化相一致。
五、 个体叶酸分析揭示OCM通量的组织特异性变化
5-甲基四氢叶酸（5-m-THF）是组织中最为普遍和丰富的叶酸衍生物。研究还发现了一种此前未被充分表征的叶酸代谢物——5-甲基二氢叶酸（5-m-DHF）。比较无菌与常规小鼠组织中5-m-THF与THF的比值，发现在大肠、肺、睾丸等多种组织中该比值升高，而在上消化道、胸腺、卵巢等组织中降低，且存在性别差异，这提示菌群可能以组织特异性的方式影响DNA甲基化的潜力。
六、 微生物组和OCM可广泛影响生化通路和组织代谢
通过扩展的代谢组学分析，研究人员发现无菌小鼠多个组织中的三羧酸（TCA）循环中间体水平降低，但白色脂肪和棕色脂肪组织中的水平升高，显示了菌群对能量代谢的复杂影响。更重要的是，相关性分析揭示，在许多组织中，叶酸水平与多种生化通路（如甲硫氨酸循环、氨基酸代谢、葡萄糖代谢）的代谢物丰度显著相关，凸显了叶酸及OCM在全局调控组织代谢中的核心作用。
研究结论与意义
本研究通过创新的代谢组学技术，首次在组织水平上系统绘制了小鼠的叶酸一碳代谢图谱，并创建了交互式在线资源。其核心结论在于挑战了“肠道菌群是宿主叶酸重要生产者”的传统观点，首次在稳态条件下证明，肠道菌群实际上是膳食叶酸的“净消费者”，它们的存显著降低了宿主对叶酸的利用度。这一发现改变了我们对菌群-宿主营养互作的认知。
研究深入揭示了叶酸代谢在体内的复杂图景：具有高度的组织异质性和性别二态性；叶酸的多谷氨酸化状态是组成性的，与叶酸丰度成正比但不受其调节；肠道菌群通过消耗叶酸，能直接且深远地影响宿主的整体代谢状态，包括改变甲基供体丰度（可能影响表观遗传）、重塑TCA循环等能量代谢通路。
这项发表于《自然·代谢》（Nature Metabolism）的研究具有多重重要意义。首先，它提供了前所未有的高分辨率数据资源，极大加深了对叶酸这一必需营养素在体内动态分布和代谢的理解。其次，它明确了肠道菌群在叶酸代谢中的关键角色，为解释菌群如何影响宿主营养状况及相关疾病（如与叶酸代谢异常相关的代谢性疾病）提供了新机制。最后，研究所揭示的叶酸水平与广泛代谢通路的相关性，将叶酸置于宿主代谢调控网络的中心位置，为未来针对营养、菌群和代谢性疾病的精准干预策略提供了新的科学依据和潜在靶点。
