Metabolomic and metagenomic analysis in adolescent obesity intervention

Abstract

Obesity is one of the most common diseases worldwide causing complications such as metabolic syndrome, type 2 diabetes and cardiovascular disease. Adolescent obesity leads to adult obesity, which is a major cause of chronic disease after growth. Therefore, various studies are needed to prevent and intervene in adolescent obesity. Nevertheless, omics studies in adolescent obesity intervention are still limited. This study is aimed to observe alterations in metabolome and microbiome after adolescent obesity intervention. Sixtyꠓeight adolescent obesity subjects conducted an obesity intervention program including diet, exercise, and counseling for 6 months, and fecal samples were collected before and after the obesity intervention. After obesity intervention, the group with a decreasing BMI zꠓscore is defined as responders, and the group with increasing BMI z-score is defined as non-responders. In this study, I performed untargeted metabolite analysis of feces using 800 MHz nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) and targeted analysis of bile acid using ultra-high performance liquid chromatography/triple quadrupole mass spectrometry (UHPLC/TQ MS) before and after obesity intervention. Also, I investigated the association between microbiome and metabolome based on plasma metabolite data and gut microbiota data. In the metabolomics analysis, the alanine, aspartate and glutamate metabolism, the glycine, serine and threonine metabolism and related metabolites showed significant changes after obesity intervention. In the microbiome analysis, there was no significant change in phylum level, but 18 genera showed significant changes after obesity intervention. In integrated metabolome and microbiome analysis, significantly altered fecalv metabolites after obesity intervention were correlated with genus level. In particular, the alanine, aspartate and glutamate metabolism, major pathway in both feces and plasma after obesity intervention, was associated with Ruminococcus, Fenollaria in responders. Also, the glycine, serine and threonine metabolism, which was significant pathway in feces, was associated with Ruminococcus, Serratia in responders. This study demonstrates that an metabolomic and metagenomic analysis in adolescent obesity intervention is useful for understanding the associations in host metabolites and microbial metabolism.;비만은 대사 증후군, 제2 당뇨병 및 심혈관 질환과 같은 합병증을 일으키는 세계에서 가장 흔한 질병 중 하나다. 청소년 비만은 성장 후 만성 질환의 주요 원인인 성인 비만으로 이어진다. 따라서 연구를 통해 청소년 비만을 사전에 예방하는 것이 중요하다. 그러나, 청소년 비만 중재에 대한 대사체 및 장내 미생물의 통합 연구는 아직 부족하다. 본 연구의 목표는 청소년 비만 중재 후 대사체 및 장내 미생물의 변화와 연관성을 관찰하는 것이다. 비만 중재 프로그램은 통합 식이 요법과 운동 조절을 통해 6 개월 동안 진행되었다. 이 연구에서는 비만 중재 후 800MHz 핵자기 공명 분광기 (NMR)를 사용하여 대변의 비표적 대사체 분석을 수행하고, 초고성능 액체크로마토그래피/텐덤 질량분석기 (UHPLC/TQ MS)를 사용하여 대변 내 담즙산 표적 분석을 수행하였다. 또한 혈장 대사체 분석 데이터 및 장내 미생물 분석 데이터를 제공받아 비만 중재 후의 변화와 대변 대사체와의 연관성을 조사하였다. 대사체학 분석을 통해, 알라닌, 아스파르테이트 및 글루타메이트 대사와 글리신, 세린 및 트레오닌 대사 및 관련 대사체가 비만 개입 후 responders 그룹에서 유의적으로 변화하였다. 장내 미생물 분석 결과, 문 수준에서는 유의성을 보이지않았으나, 속 수준의 장내 미생물이 비만 중재 후 유의적으로 변화하는 것을 확인하였다. 대사체와 장내 미생물 통합 분석을 통해 유의적으로 변화한 대변 대사체와 장내 미생물간의 상관관계가 있음을 확인하였다. 특히, 비만 중재 후 대변 및 혈장 모두에서 유의적인 대사인 알라닌, 아스파르테이트 및 글루타메이트 대사는 responders 그룹에서 Ruminococcus, Fenollaria 와 연관성이 있었다. 또한, 대변에서 유의성을 보인 글리신, 세린 및 트레오닌 대사는 Ruminococcus와 연관성이 있었다. 이러한 비만 중재의 결과는 대사체 및 장내 미생물과 같은 생물학적 표현형의 변화를 통해 비만을 중재하는 것임을 보여주었다. 본 연구는 청소년 비만중재를 통한 대사체 및 장내 미생물 통합 분석이 대사체와 장내 미생물의 연관성을 이해하는 데 유용하다는 것을 규명한다.