编辑推荐：
围产期奶牛常出现能量代谢紊乱问题。研究人员开展 “瘤胃球菌 E_牛源丙氨酸缓解围产期能量代谢紊乱机制” 的研究，整合多组学数据等进行探究。结果发现瘤胃球菌 E_牛源（Ruminococcus_E bovis）可合成丙氨酸（Ala）缓解紊乱。该研究为防治奶牛围产期代谢病提供新思路。
在哺乳动物的生命历程中，围产期是一个极为关键的阶段。对于奶牛来说，这个时期却麻烦不断。随着人们对奶牛产奶量的要求越来越高，不断进行高强度的遗传选育，这虽然提升了奶牛的生产能力，却也让它们的代谢适应能力大打折扣。在围产期，30% - 50% 的奶牛会因各种问题被淘汰，其中能量代谢紊乱是一个突出的难题。
能量代谢一旦出现紊乱，奶牛就会陷入各种困境。它们的胰岛素抵抗增强，免疫系统也变得脆弱，很容易受到疾病的侵袭。血液中 β- 羟基丁酸（BHBA）水平异常升高，这不仅会影响肝脏和乳腺的正常功能，还会导致奶牛患上酮症和脂肪肝等疾病。而且，奶牛的牛奶质量也会下降，蛋白质含量减少，这对于奶制品行业来说，无疑是一个巨大的损失。同时，围产期奶牛的能量代谢紊乱问题和人类围产期的一些代谢问题有相似之处，比如胰岛素抵抗等，所以研究奶牛的这一问题，也能为人类围产期代谢研究提供重要参考。然而，目前对于奶牛围产期能量代谢紊乱的发病机制还不明确，这就像一团迷雾，阻碍着人们寻找有效的预防和治疗方法。
为了驱散这团迷雾，来自中国大同某商业奶牛场的研究人员开展了一项深入的研究。他们以围产期患酮症的奶牛为研究对象，整合了宏基因组学、代谢组学和转录组学等多组学数据，试图找出其中的关键微生物和代谢机制。研究人员还利用体外瘤胃发酵模拟系统和酮症肝细胞模型，进一步验证了关键微生物产生的后生元的作用机制和效果。最终，研究取得了一系列重要成果，相关论文发表在《Research》上。
在研究过程中，研究人员用到了多种关键技术方法。首先，他们建立了奶牛样本队列，从 211 头健康的待产荷斯坦奶牛中筛选出患酮症和健康的奶牛作为研究对象。然后，运用多组学技术对奶牛的瘤胃微生物、肝脏代谢物和基因表达进行全面分析。此外，通过体外瘤胃发酵模拟系统，研究特定微生物对发酵参数和微生物蛋白（MCP）氨基酸组成的影响；构建酮症肝细胞模型，探究丙氨酸（Ala）对肝细胞糖异生和酮生成的作用。
研究结果具体如下：
- 肝脏糖原与体蛋白、脂肪的变化：研究人员检测了能量和氮代谢指标，发现酮症奶牛（KET）的非酯化脂肪酸（NEFA）浓度在产后 1、3、7 和 14 天高于健康奶牛（CON），而葡萄糖浓度在 7 和 14 天更低；BHBA 浓度在 3、7、14 和 21 天更高。血液尿素氮（BUN）和 3 - 甲基组氨酸（3 - MH）浓度也受到影响，且 KET 组肝脏糖原在第 21 天明显减少。同时，KET 组牛奶脂肪含量更高，蛋白质含量更低，牛奶脂肪与蛋白质的比值（F:P）更高，这表明酮症奶牛通过动员肌肉蛋白和脂肪来补偿能量，但却影响了牛奶的品质。
- 瘤胃微生物群氨基酸代谢的变化：对比酮症奶牛和健康奶牛的瘤胃微生物组功能，发现 KET 组瘤胃微生物群组成在第 3 天与 CON 组差异显著，且参与氨基酸代谢的多条通路丰度更低。通过宏基因组组装和分箱分析，得到多个宏基因组组装基因组（MAG），其中第 2 和 8 簇 MAG 在 KET 组第 3 天缺失。第 2 簇 MAG 主要参与甲烷代谢和多种氨基酸代谢，第 8 簇 MAG 则富集一些聚糖生物合成和代谢通路，它们之间可能存在代谢互补作用。进一步分析发现，瘤胃球菌 E_牛源（Ruminococcus_E bovis，MAG 189）等微生物在氨基酸代谢中可能发挥重要作用。
- 瘤胃微生物群衍生的 MCP 及 Ala 与宿主代谢的关系：瘤胃微生物群对碳水化合物和氮的转化至关重要，研究发现 KET 组挥发性脂肪酸（VFAs）、NH3-N 和 MCP 浓度均低于 CON 组。MCP 中 Ala 等氨基酸浓度在 KET 组第 3 天显著降低，且 Ala 与血清氨基酸浓度、血清总氨基酸（TAA）浓度以及血清葡萄糖浓度均显著相关，这表明 Ala 在宿主能量代谢中可能起着关键作用。
- 添加瘤胃球菌 E_牛源 JE7A12 对体外瘤胃发酵的影响：研究人员在体外瘤胃发酵模拟系统中添加不同量的R. bovis JE7A12，发现该菌株可提高底物降解率，增加 MCP 浓度，改变 MCP 中氨基酸组成，使 Ala 等多种氨基酸浓度升高，这进一步证实了R. bovis JE7A12 在瘤胃氨基酸代谢中的重要作用。
- 酮症奶牛肝脏代谢和基因表达的变化：对奶牛肝脏进行活检，检测代谢和基因表达。结果显示，KET 组肝脏中许多代谢通路，尤其是氨基酸代谢通路显著下调；代谢组学分析也表明，KET 组肝脏中氨基酸生物合成和多种氨基酸代谢通路受到抑制，多种氨基酸及相关代谢物水平降低，这说明酮症奶牛肝脏氨基酸代谢受到严重干扰。
- Ala 对酮症肝细胞的影响：研究人员建立酮症肝细胞模型，发现添加 Ala 可降低细胞培养液中 NEFA 和 BHBA 浓度，减少脂肪沉积，增加糖原储存。RNA 测序和免疫荧光分析表明，Ala 可上调糖异生和 Ala 代谢通路，下调酮体生物合成关键基因的表达，这表明 Ala 能够有效缓解肝细胞的酮生成，增强糖异生作用。
综合研究结果和讨论部分，该研究揭示了瘤胃球菌 E_牛源与宿主能量代谢稳态之间的紧密联系。瘤胃球菌 E_牛源能够通过合成 Ala 为肝脏提供糖异生前体，维持能量代谢平衡。Ala 的缺乏会导致能量代谢紊乱，引发一系列问题，如奶牛肌肉蛋白和脂肪的过度动员、牛奶蛋白产量下降等。这项研究不仅为防治奶牛围产期能量代谢紊乱提供了新的方向，也为哺乳动物围产期能量代谢紊乱的研究提供了重要的理论依据。未来，有望基于这些研究成果，开发出更有效的治疗方法和营养策略，改善奶牛的健康状况，提高奶制品的质量，同时也为人类围产期代谢疾病的研究和治疗提供有益的参考。
