微生物介导的宿主代谢物转化是肠道微生物组影响人类健康的关键机制。胆红素(BR)作为宿主血红素降解的副产物，在肠道中积累并经历肠道细菌的多步代谢。在结肠炎小鼠模型中，胆红素具有保护作用，其微生物代谢与炎症性肠病(IBD)患者炎症减轻相关。然而，该途径中的微生物、基因和代谢物在很大程度上仍不明确。我们假设胆红素衍生代谢物家族(BFMs)是宿主来源、经微生物修饰的对人类健康重要的分子。我们开发了一种结合计算和实验的方法，用于鉴定肠道中负责胆红素代谢的细菌、基因和代谢物，并筛选BFMs的黏膜免疫调节活性。此外，我们还筛选了这些代谢物的免疫调节特性。
我们的计算方法包括三个步骤：通过筛选物种丰度与BFM相关代谢特征之间的协方差来识别候选微生物；利用比较基因组学，通过对比与BFM丰度正相关和负相关的物种之间的基因家族携带情况来精确定位基因；以及利用分子网络预测未注释的、类别相关代谢物的身份。
我们的实验流程验证并扩展了这些预测。通过全细胞测定的液相色谱-质谱(LC-MS)分析筛选了代谢活跃的细菌。通过表型筛选的基因-性状匹配和比较转录组学来识别底物响应基因，从而确定候选基因。新型代谢物通过细菌培养的串联质谱鉴定，结构经核磁共振(NMR)确认。
利用这一流程，我们发现了多种新型代谢能力：(1) 肠道相关细菌普遍具有将胆绿素(BV)还原为胆红素(BR)的能力；(2) 意外地，含有BilR（一种假定的胆红素还原酶）的梭菌将胆红素还原为一种新型中间体——双乙烯尿胆原(dvUBg)，而不是经典途径中间体中胆红素(MB)；(3) M. gnavus具有独特的能力，能将dvUBg还原为第二种新型中间体——单乙烯尿胆原(mvUBg)，随后被还原为经典途径代谢物尿胆原(UBg)。这表明了一种新型、选择性且非经典的两步酶促途径，用于将胆红素还原为尿胆原。在研究的拟杆菌门(Bacteroides)和厚壁菌门(Bacillota)物种中，我们未观察到先前描述的经典还原途径，即通过中胆红素中间体将胆红素还原为尿胆原，或尿胆素还原为下游代谢物粪胆原(SBg)和粪胆素(SBn)。
为了评估BFMs的免疫调节特性，我们用BFMs处理小鼠骨髓源性单核细胞，并在有无脂多糖(LPS)的情况下测量细胞因子表达。胆红素增加了促炎细胞因子的表达，而胆绿素和其他下游途径代谢物(UBg、UBn、SBg和SBn)则抑制了这些信号。
我们的工作鉴定出驱动胆红素代谢的新型细菌物种、基因和代谢物，这一途径与肠道炎症密切相关。这些结果表明，BFM代谢通过多个物种的分布式途径进行，其化学多样性空间比先前认识的更为广泛。胆红素刺激促炎信号的发现看似违反直觉，表明微生物介导的BFM代谢是黏膜免疫调节的关键组成部分。未来工作将验证候选基因，并利用这些发现构建细菌群落和基因工程生物，以机制性地探究肠道炎症中微生物修饰的BFMs。这种集成的计算-实验流程也可应用于表征类似的微生物介导代谢途径，适用于半靶向代谢组学方法。
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