FSHW | 非靶向代谢组学结合16S rRNA测序揭示了榛子Cor a 14过敏相关的肠道代谢和肠道菌群特征

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Introduction

食物过敏（Food allergy，FA）是指食物进入人体后对致敏原（通常是蛋白质）产生的不良免疫反应。FA引起的生理功能障碍或组织损伤会导致一系列临床症状，如皮肤荨麻疹、呼吸道哮喘和咳嗽、胃肠道腹泻，严重者出现休克甚至死亡。FA作为全球关注的重大公共卫生和食品安全问题，其发病率每年以10%的速度增长，呈现出多样化、复杂性和广泛性的趋势，严重影响过敏人群的健康。大约5%的成年人和8%的婴幼儿对食物中的致敏原过敏，主要是花生、牛奶、小麦、大豆、鸡蛋、坚果、鱼和甲壳类动物。

榛子（Corylus avellana）不仅是一种被广泛食用的高营养价值树用坚果，而且是引起食物过敏反应最严重的“八大”重要过敏性食品之一。榛子过敏可发生在任何年龄段的患者中，症状从轻微的口腔瘙痒到危及生命的反应不等。绝大多数榛子过敏反应是由榛子仁中的蛋白质引起的，严重的过敏反应通常与Cor a 8、Cor a 9、Cor a 11和Cor a 14有关。Cor a 14属于醇溶蛋白超家族，包含在2S蛋白中，是花生、芝麻、荞麦、腰果和巴西坚果等双子叶植物种子的主要致敏原。Cor a 14具有坚固的三维结构，富含由4 个分子内二硫键形成的α-螺旋，对胃肠道蛋白水解降解和食品加工具有极强的抵抗力，使其具有更高的超敏性，因为它能够使具有致敏表位的完整结构到达肠道相关淋巴组织。然而，与Cor a 14过敏相关的肠道微生物群和肠道代谢物的特征知之甚少。

中国农业大学食品科学与营养工程学院的陈晨博士、薛文通教授等在本文中从榛子中提取纯化结构稳定的致敏原Cor a 14，建立Cor a 14致敏BALB/c小鼠模型。旨在探讨榛子Cor a 14过敏相关的肠道代谢和肠道菌群特征，并从肠道代谢产物中筛选可能的Cor a 14过敏相关的潜在生物标志物。希望本研究的发现有助于揭示肠道菌群和代谢产物影响榛子过敏患者免疫系统的潜在机制，为榛子过敏的诊断提供有益的理论依据。

Results and Discussion

Cor a 14诱导了小鼠过敏

在口服激发60 min内，模型组表现出比Ctrl组和Ad组更高的过敏反应评分，并伴有反复抓挠，毛发竖起和呼吸频率增加等症状，且模型组的直肠温度在Cor a 14激发30 min后显著下降。此外，Cor a 14激发导致模型组Cor a 14-sIgE、Cor a 14-sIgG2a、组胺、mMCP-1水平显著升高，表明Cor a 14诱导的抗体分泌和体液免疫触发，进一步证实了Cor a 14致敏小鼠模型的成功建立。

图1 小鼠表观症状及血清学指标分析

Cor a 14相关的肠道菌群特征

模型组α-多样性显著降低，表明Cor a 14致敏降低了肠道菌群多样性。Cor a 14致敏改变了不同分类水平的肠道菌群相对丰度。由Cor a 14致敏引起的5 个菌门相对丰度显著，即去脱铁杆菌门、弯曲杆菌门、髌骨菌门、放线杆菌门和变形杆菌门。与Ctrl组相比，Cor a 14致敏主要导致放线菌门相对丰度增加，蓝藻菌门相对丰度下降，而3 组之间厚壁菌门/拟杆菌门比例没有显著差异。在属分类水平上，模型组同样与Ctrl组和Ad组样本呈现明显的聚类差异，这与门分类水平的聚类结果是一致的。Cor a 14致敏主要引起了12 种菌属发生明显变化，其中6 种菌属相对丰度上升，分别是拟杆菌属，粪杆菌属，肠杆菌属，乳杆菌属，杜氏杆菌属，副拟杆菌属。

图2 肠道菌群变化特征

Cor a 14相关的肠道代谢特征

非靶向代谢组学结果显示，Cor a 14致敏后共有238 种差异显著的肠道代谢产物（上调111 种，下调127 种），其中L-色氨酸、组胺和N-乙酰组胺在增强的L-色氨酸和组氨酸代谢途径中显著积累。Spearman相关分析提示L-色氨酸与过敏指标呈正相关，可作为Cor a 14过敏的潜在生物标志物。总之，本发现揭示了Cor a 14过敏反应期间肠道代谢物和肠道微生物群的特征，为榛子过敏的诊断提供了新的潜在见解。

图3 肠道代谢物变化特征

Conclusion

本研究建立了Cor a 14小鼠致敏模型，主要表现为明显的过敏表型症状，体温显著下降，血清sIgE、sIgG2a、组胺、mMCP-1、IL-4、IL-5和L-色氨酸显著升高。Cor a 14致敏小鼠肠道菌群α和β-多样性发生显著改变。代谢组学结果显示Cor a 14致敏后得到238 种显著差异代谢产物，主要富集在色氨酸代谢和组氨酸代谢途径。肠道L-色氨酸与过敏指标呈显著正相关，可作为Cor a 14过敏的潜在生物标志物，其在过敏反应中的作用机制及其作为榛子过敏诊断标志物的潜力值得进一步研究。

第一作者简介

陈晨，男，中国农业大学食品科学与营养工程学院2020级博士研究生，主要研究方向为食物过敏与肠道菌群的互作机制。参与国家“十三五”重点研发计划的相关研究工作，目前以第一作者身份发表SCI论文7 篇。

通信作者简介

薛文通，男，中国农业大学食品科学与营养工程学院教授，博士生导师，中国农业大学中日食品研究中心主任，农业农村部农产品加工业专家委员会委员，农业农村部农产品加标准化技术委员会粮食加工技术委员会委员，中国农业工程学会农产品加工贮藏分会副理事长，中国食品和包装机械工业学会中央厨房工程与装备委员会副会长，中国农业机械学会农产品加工机械分会副主任委员，北京农业工程学会农产品加工贮藏分会会长。近年来主要研究食物致敏原确证技术及膳食成分对人体致敏机制影响；益生菌及其代谢产物对机体免疫应答规律等。共主持国家重点研发计划项目1 项（食物过敏标识的风险评估技术研究），国家重点研发计划子课题1 项，国家自然科学基金面上项目5 项，国家科技支撑计划项目2 项，国际合作项目2项，其他省部级研究项目19 项。出版《主要食物过敏原致敏机理的研究》等著作14 部。授权国家发明专利8 项。获省部级及以上奖励5 项。在国内外学术期刊发表论文240余篇。

Untargeted metabolomics combined with 16S rRNA sequencing reveals the characteristics of intestinal metabolism and gut microbiota in hazelnut Cor a 14-allergic BALB/c mice

Chen Chena, Kaiyu Mub, Qiang Xieb, Wentong Xueb,*

a College of Food and Bioengineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450001, China

b College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China

*Corresponding author.

Abstract

Cor a 14 is one of the most vital allergens in hazelnuts. However, the features of intestinal metabolites and microbiota associated with Cor a 14-induced allergy remain unclear. In this study, we established a hazelnut Cor a 14-allergic BALB/c mice model, which was distinguished by the dropped temperature and enhanced allergic inflammatory factor levels in serum. Faeces were collected to detect characteristics of the intestinal metabolites by untargeted metabolomics and the gut microbiota by 16S rRNA sequencing. The α- and β-diversity of gut microbiota in Cor a 14-allergic mice differed from the controls with elevated relative abundance of Lactobacillus and reduced relative abundances of Odoribacter, Chloroplast, Alistipes and Lachnospiraceae_NK4A136_group. Untargeted metabolomics results revealed that 238 significantly differential metabolites (111 up-regulated, 127 down-regulated) were identified, of which, L-tryptophan, histamine and N-acetylhistamine were remarkably accumulated and primarily enriched in the enhanced L-tryptophan and histidine metabolism pathways. Spearman correlation analysis suggested that L-tryptophan was positively correlated with allergic indicators and screened as the potential biomarker for Cor a 14 allergy. Collectively, our findings uncovered the characteristics of intestinal metabolites and gut microbiota during Cor a 14 anaphylaxis and provided new potential insights for diagnosis of hazelnut allergy.

Reference:

CHEN C, MU K Y, XIE Q, et al. Untargeted metabolomics combined with 16S rRNA sequencing reveals the characteristics of intestinal metabolism and gut microbiota in hazelnut Cor a 14-allergic BALB/c mice[J]. Food Science and Human Wellness, 2025, 14(2): 9250044. DOI:10.26599/FSHW.2024.9250044.

文章翻译由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意