营养与肠道菌群（科学专著.前沿研究）

本书由西湖大学郑钜圣教授团队精心编纂，深度解析肠道微生态、营养学与人体健康的内在联系，呈现了一系列前沿且原创的研究成果，并广泛融合了全球最佳证据。对于营养与肠道菌群领域感兴趣的师生、科研人员，或医疗健康产品相关的研发人士来说，本书是一部极具价值的参考宝典，将助您攀登健康研究的新高峰。

人体肠道微生物组与营养代谢、机体健康状态息息相关，相关领域的研究在过去十几年飞速发展。营养与肠道菌群的互作关系探索正在成为营养学的前沿领域，已经成为精准营养研究必不可少的组成部分。本书系统梳理了营养素、食物、膳食模式等不同层面的营养因素对于肠道菌群的影响，以及肠道菌群对于营养与疾病关系的调节作用。此外，总结了基因组、代谢组与蛋白质组等多组学手段和机器学习等算法进展在研究营养与肠道菌群关系中所起到的重要作用，并进一步从统计方法和生物信息学的角度提供了肠道菌群分析的流程和实践指南。最后，展望了营养与肠道菌群研究的未来趋势，提出开展营养微生物组队列研究的重要性，强调了非细菌的肠道菌群与营养互作研究的价值。本书为读者总结了最新的领域研究进展，构建了营养与肠道菌群互作关系研究的知识体系，为读者围绕营养与肠道菌群的跨学科研究提供了入门指南和重要参考。

郑钜圣 博士，西湖大学医学院研究员、博士生导师，国家教育B青年长江学者，中国营养学会理事，浙江省科技创新领军人才。主要致力于精准营养与计算医学领域的跨学科研究，基于人群队列生物大数据，结合基因组、代谢组及微生物组等手段，探索发现人类代谢疾病等慢病的全新营养干预靶点，制定新型精准营养干预策略。 

第1章 食物、营养与健康概述1
1.1 现代营养学发展历程 1
1.2 营养素与健康 2
1.2.1 维生素、矿物质、鱼油膳食补充剂 2
1.2.2 三大产能营养素(脂肪、碳水化合物与蛋白质)4
1.3 食物组、膳食模式与健康5
1.4 精准营养与单样本随机对照试验(n-of-1试验)概述7
1.4.1 精准营养 7
1.4.2 基于 n-of-1 单样本随机对照试验的营养干预研究 8
1.5 小结与展望 9
参考文献10
第2章 肠道菌群研究进展13
2.1 肠道菌群的初始定植与稳定13
2.1.1 产前因素对生命早期肠道菌群的影响15
2.1.2 分娩方式对生命早期肠道菌群的影响17
2.1.3 早产与肠道菌群初始定植18
2.1.4 母乳喂养与生命早期肠道菌群的发展20
2.2 肠道菌群与宿主健康21
2.2.1 肠道菌群与代谢相关疾病23
2.2.2 肠道菌群与自身免疫性疾病25
2.2.3 肠道菌群与神经相关疾病26
2.2.4 肠道菌群与其他疾病27
2.3 宿主基因、环境与肠道菌群 28
2.3.1 宿主遗传对肠道菌群的影响28
2.3.2 环境因素对肠道菌群的影响29
参考文献32
第3章 宏量营养素与肠道菌群45
3.1 碳水化合物与肠道菌群45
3.1.1 碳水化合物的分类45
3.1.2 肠道菌群与碳水化合物的消化、吸收和代谢 47
3.1.3 碳水化合物对肠道菌群的影响48
3.1.4 肠道菌群利用碳水化合物调节宿主代谢50
3.2 脂类与肠道菌群50
3.2.1 脂类的分类51
3.2.2 膳食脂肪酸与肠道菌群的关系51
3.2.3 膳食脂肪酸与肠道菌群的互作机制54
3.2.4 膳食脂肪酸、肠道菌群互作与宿主健康 56
3.3 蛋白质与肠道菌群57
3.3.1 肠道菌群影响膳食蛋白质的消化、吸收及代谢 57
3.3.2 膳食蛋白质对肠道菌群组成及功能的影响60
3.3.3 肠道菌群酵解蛋白质产物及其健康效应61
3.4 小结与展望 63
参考文献63
第 4章 微量营养素与肠道菌群74
4.1 维生素与肠道菌群75
4.1.1 脂溶性维生素75
4.1.2 水溶性维生素80
4.2 矿物质与肠道菌群85
4.2.1 常量矿物质元素与肠道菌群85
4.2.2 微量矿物质元素与肠道菌群92
4.3 小结与展望 101
参考文献103
第5章 膳食纤维与肠道菌群 112
5.1 膳食纤维 112
5.1.1 膳食纤维的定义和来源 112
5.1.2 膳食纤维的分类 113
5.1.3 膳食纤维的理化特性 114
5.2 膳食纤维对肠道菌群的影响 116
5.2.1 膳食纤维对肠道菌群结构的影响 116
5.2.2 膳食纤维对肠道菌群组成的影响 117
5.2.3 不同膳食纤维摄入量对菌群的作用 119
5.3 肠道菌群与膳食纤维代谢 120
5.3.1 膳食纤维是肠道菌群代谢的底物 120
5.3.2 肠道菌群与膳食纤维发酵 121
5.4 肠道菌群代谢膳食纤维的关键产物——短链脂肪酸 122
5.4.1 短链脂肪酸的生物合成、吸收和分布122
5.4.2 短链脂肪酸是脱乙酰酶抑制剂 123
5.4.3 短链脂肪酸是G蛋白偶联受体的配体 124
5.5 膳食纤维与肠道菌群互作对疾病的影响 125
5.5.1 肠道黏液层完整性和肠腔内氧气水平 125
5.5.2 肥胖和 2型糖尿病 126
5.5.3 免疫系统疾病 127
5.5.4 哮喘 128
5.5.5 神经系统 129
5.5.6 癌症 129
5.6 小结与展望 130
参考文献131
第 6章 膳食模式、食物与肠道菌群138
6.1 膳食模式及食物与肠道菌群的关系 139
6.1.1 地中海饮食模式 139
6.1.2 健康饮食指数 140
6.1.3 植物性饮食 142
6.1.4 膳食多样性 144
6.1.5 以数据驱动的膳食评价模式 145
6.2 特殊人群膳食模式与肠道菌群的关系 146
6.2.1 素食 146
6.2.2 间歇性禁食 147
6.2.3 生酮饮食 148
6.2.4 低发酵饮食 149
6.3 单一食物组与肠道菌群的关系 150
6.4 转变膳食模式对肠道菌群影响的时间效应 151
6.4.1 短期膳食模式更迭对肠道菌群的影响 151
6.4.2 膳食习惯对肠道菌群的长期影响 152
6.4.3 长期与短期膳食模式对菌群的影响对比 153
6.5 个性化应答与精准营养 153
6.5.1 造成膳食个性化应答的潜在影响机制154
6.5.2 基于肠道微生态的精准营养 155
6.6 个性化营养应答研究实例 155
6.7 小结与展望 157
参考文献159
第7章 基因组学在营养与肠道菌群研究中的应用 167
7.1 基因测序技术在微生物研究中的应用 167
7.1.1 常见的微生物基因组测序技术 167
7.1.2 微生物组组成和功能的研究方法 170
7.1.3 微生物组遗传组成对宿主健康的影响 172
7.2 宿主遗传变异与肠道菌群的交互作用 173
7.2.1 宿主遗传对肠道微生物的影响 173
7.2.2 宿主遗传、营养与肠道菌群的关系179
7.3 肠道微生物与宿主表观遗传修饰 181
7.4 小结与展望 182
参考文献183
第 8章 机器学习在营养与肠道菌群研究中的应用 187
8.1 机器学习概述 187
8.1.1 机器学习发展历程 187
8.1.2 机器学习基本概念 188
8.1.3 机器学习在肠道菌群研究中的应用189
8.2 机器学习模型评估与选择 190
8.2.1 模型误差与过拟合 190
8.2.2 评估方法190
8.3 监督学习方法 191
8.3.1 线性模型192
8.3.2 决策树 194
8.3.3 集成学习 197
8.3.4 神经网络与深度学习 197
8.4 无监督学习方法 198
8.4.1 聚类 198
8.4.2 主成分分析 200
8.5 机器学习在精准营养研究中的应用 202
8.6 小结与展望 204
参考文献206
第 9章 代谢组学、蛋白质组学技术在营养与肠道菌群研究中的应用208
9.1 代谢组学技术在营养与肠道菌群研究中的应用 208
9.1.1 代谢组学技术概述 208
9.1.2 代谢组学在营养研究中的应用 209
9.1.3 代谢组学在肠道菌群研究中的应用 212
9.2 蛋白质组学技术在营养与肠道菌群研究中的应用 216
9.2.1 蛋白质组学技术概述 216
9.2.2 蛋白质组学在营养研究中的应用220
9.2.3 蛋白质组学在肠道菌群研究中的应用 222
9.3 小结与展望 224
参考文献225
第 10 章 统计方法应用及举例232
10.1 微生物组数据特征232
10.1.1 组成性 233
10.1.2 稀疏性 234
10.1.3 高维性 235
10.2 微生物组多样性分析236
10.2.1 多样性定义与生信分析 236
10.2.2 α多样性 236
10.2.3 β多样性 237
10.2.4 常用分析方法与案例 237
10.3 微生物组物种分析239
10.3.1 菌群物种分类注释及常用数据库 239
10.3.2 常用分析方法与案例 243
10.4 微生物组功能分析243
10.4.1 菌群功能注释分类及常用数据库 243
10.4.2 常用分析方法及案例 247
10.5 纵向数据分析与因果推断248
10.5.1 纵向数据分析介绍及方法 248
10.5.2 微生物组的因果推断 250
10.6 小结与展望 251
参考文献252
第 11章 展望255
11.1 从营养素研究到膳食模式创新255
11.2 大规模的营养微生物组队列研究255
11.3 营养遗传学与肠道微生物组 256
11.4 非细菌的肠道微生物组与营养互作研究256
11.5 深入的机制探索和菌群代谢物挖掘256
索 引 258

营养学是一门既古老又不断与时俱进的学科。近百年间，现代营养学兴起，营养学家们不仅针对众多营养素展开了系统且富有成效的研究，而且也揭示了不同食物以及膳食模式与疾病的关联；这些进展使人们对于食物营养与人体健康的关系有了更深入的理解，为民众健康意识的增强与健康状况的改善奠定了基础，并为有效遏制营养缺乏疾病及慢病的发生发展提供了方案。
营养学本身也是一门跨学科属性极强的学科，从化学、分子生物学、临床医学，到流行病学、遗传学、生物信息学，再到政策制定、公共卫生等领域都与营养学有着紧密的交叉关联。随着现代生物技术的不断进步和基因测序成本的下降，人体微生物组的面貌被逐渐揭开，人们也日渐发现营养与人体微生物，特别是肠道菌群之间具有密不可分的联系。无论是营养素、食物或者膳食模式都在不同的层次上影响着肠道菌群的结构、组成或功能，而肠道菌群本身也在很大程度上决定着食物与营养如何改善人体的代谢与健康。近10年，食物营养与肠道菌群的研究领域蓬勃发展并有着诸多激动人心的进展，正在不断革新人们对于营养代谢及背后机理的认知，相关研究不断揭示营养—肠道菌群互作对于人体健康的重要影响。这也促成了本书的写作，希望把这个领域内新的、好的进展带给国内的学生、同行以及相关专业的朋友们。
本书是笔者实验室全体成员集体智慧的结晶，在笔者指导下分工合作，通过系统检索领域内的文献加以归纳总结，在统一的逻辑下把食物营养与肠道菌群研究领域内的知识和进展进行了梳理和呈现。当然，这个过程难免有疏漏之处，敬请读者给予指正。在此，特别感谢过去五年西湖大学对于笔者实验室科研工作的大力支持，以此献礼西湖大学成立五周年；感谢五年间加盟笔者实验室的博士生、博士后、科研助理、访问学生等所有成员，你们的贡献共同促成了本书逻辑体系的完备和写作。最后，以此书献给支持我的家人。
郑钜圣2023年9月1日于西湖大学云谷校区