营养与肠道菌群

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，并广泛融合了全球很好证据。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。本书为读者总结了近期新的领域研究进展，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，国家教育部青年长江学者，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
10.2.2α多样性236
10.2.3β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