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“肥胖型”小鼠的肠道菌群结构是如何形成的?

发布日期:2019.09.18 浏览次数(66)

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美国夏威夷大学贾伟教授课题组对高脂饮食后宿主的肠道菌变化进行动态跟踪,发现正是高脂饮食下肠道中胆汁酸浓度上升、种类变化,从而快速、有效地改变了菌群结构,胆汁酸代谢是形成“肥胖型”肠道菌群结构特征的一个主要因素。小编给大家介绍一下这篇使用代谢组学作为研究方法的文献。


研究背景


2006年,美国华盛顿大学系统生物学教授Jeffrey Gordon以及他所领导的研究团队发表在Nature上的研究显示,与瘦人的菌群组成相比,肠道中两类主要的细菌,Firmicutes(厚壁菌门)和Bacteroidetes(拟杆菌门)在胖人中有明显的改变,Firmicutes与Bacteroidetes丰度比值明显升高。

之后,有关肠道菌群在肥胖等代谢性疾病中的研究逐渐升温,成为生物、医学界的一个科研热点,这一领域中的研究主要集中于肠道菌群如何调节能量代谢,导致肥胖的发生,而对于十多年前 Jeff Gordon 的发现 - 具有高丰度比例的厚壁菌门/拟杆菌门的“肥胖型”肠道菌群这一结构是如何形成的,研究人员仍然不甚明了。


研究材料及方法


实验动物:雄性、三周大  小鼠(C57BL/6J mice)


实验一:

将小鼠分为5组(n=7/组,作为生物学重复),分别饲喂8周,

(1)   对照组,饲喂正常食物(10%脂肪热量);

(2)   HFD组,饲喂含45%椰子油脂肪热量的食物;

(3)   对照组BA组,喂以1 mmol/kg GCA和TCA;

(4)   HFD GW4064组,喂以GW4064含量为180 mg/kg 的HFD;

(5)   HFD rafiximin组,喂以抗生素rafiximin含量为80 mg/kg的HFD。


实验二:

将小鼠分为18组(n=5/组,作为生物学重复),其中9组用正常周粮喂养,9组用HFD喂养。在以下9个时间点(第0天、第0.5天、第1天、第2天、第3天、第6天、第10天、第28天和第56天)分别杀死两组小鼠。


实验结果


1. 对于肥胖模型小鼠体内代谢物进行检测

作者通过对肥胖模型小鼠进行代谢组学研究分析,发现胆汁酸、氨基酸、脂质等代谢产物对于肠道菌群的结构变化的贡献并不相同。胆汁酸与厚壁菌门、变形菌门等8个门层次的肠道微生物相关性最强。

胆汁酸是胆汁的主要有机成分,。宿主食用食物后,胆囊在胰酶分泌素作用下发生收缩,驱动肠肝循环,分泌胆汁进入肠道,帮助消化吸收脂肪;同时,胆汁酸在进入肠道后会与肠道菌群产生生化反应。一方面肠道菌分泌胆盐水解酶(BSH)和代谢酶(如7α-去羟化酶),使初级胆汁酸代谢成次级胆汁酸;另一方面,胆汁酸与肠道细菌的细胞膜具有较强的亲和力,会破坏其细胞膜的完整性,因而会杀灭一部分肠道细菌,并改变肠道菌群的结构,因此具有抑菌性。(如图1)。

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图 1


2. 探究胆汁酸与肠道菌群作用的整个生化过程

作者在不同时间点,即第0、0.5、1、2、3、6、10、28和56天,将高脂饮食或正常食物喂养的小鼠杀死,以此研究肠道菌群和胆汁酸的变化。发现高脂饮食的小鼠,在进食12小时(即0.5天)时肠道内胆汁酸的浓度达到最高,浓度升高的胆汁酸种类也最多。而肠道菌群的结构组成的变化主要发生于一天之后,在第三天时丰度发生变化的肠道细菌最多。(如图2)。

这个结果表明高脂饮食首先改变了胆汁酸的代谢和分泌增加,之后肠道菌群的组成结构才发生了变化。

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图 2


3. 高脂饮食诱导的肠道微生物群变化及其与胆汁酸的关系

作者比较正常组和高脂组小鼠盲肠中胆汁酸和菌群结构的差异,发现高脂组中胆汁酸浓度显著上升,包括胆酸、鹅去氧胆酸、甘氨结合胆酸(GCA)、牛璜酸结合胆酸(TCA)、牛璜酸结合鹅去氧胆酸、牛璜酸结合去氧胆酸、去氧胆酸、石胆酸、β-鼠胆酸、7-羰基石胆酸的上升。

正常组小鼠的肠道菌群结构中,Proteobacteria(变形菌门) 丰度占41.91%,Firmicutes(厚壁菌门) 占30.59%,Bacteroidetes(拟杆菌门) 占26.22%,其它丰度较低的包括Verrucomicrobia(疣微菌门) 0.95%, Deferribacteres(脱铁杆菌门) 0.12%和Cyanobacteria(蓝藻门) 0.018%。而高脂组小鼠中,Firmicutes的丰度增加到47.51%,Proteobacteria和 Bacteroidetes的丰度则分别降到34.86%和16.94%,Firmicutes与Bacteroidetes的丰度比值明显升高,这一结果与Jeff Gordon 的发现高度吻合。

将胆汁酸和肠道菌丰度作相关性分析时发现,在检测到的42种胆汁酸中,有33种胆汁酸至少和一个菌种成显著相关性。微生物组成表明,八种微生物种类r.gnavus、blautia spp、allobaculum spp、bilophila spp、desulfovibrio spp、prevotella spp、bacteroides spp和akkermansia muciniphila可能受肥胖相关肠道微生物群的胆汁酸调节。 除脱硫弧菌属外,其余7种微生物与胆汁酸显著相关。因此,这七种微生物可能对特定高脂饮食的胆汁酸分泌增加有不同反应。 


4.验证:胆汁酸本身是否可以模拟出这个“肥胖型”菌群结构?

作者进行了一个代谢组学实验,在一组小鼠的(正常)饲料中添加胆汁酸(TCA和GCA),实验结果发现饮食中加入胆汁酸后,小鼠的体重、腹部脂肪重量、肝脏重量、血清胆固醇含量均显著升高,肠道菌群的组成结构的变化趋势则接近于高脂组。

而在另一组高脂饮食小鼠的饲料中加入一种小分子化合物GW4064(fxr抑制剂),来抑制小鼠胆汁酸合成,减少胆汁酸的分泌,结果表明这一组小鼠的体重、腹部脂肪重量、肝脏重量、血清胆固醇含量均显著降低,肠道菌群的组成结构有逐渐向对照组变化的趋势。这一研究结果为胆汁酸是肠道菌群变化的重要因素提供了直接的证据。(如图3)。

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图 3

结论


本研究通过代谢组学的研究方法,对于胆汁酸和肠道菌群的相互的生化关系进行研究,发现胆汁酸的变化是导致肥胖型小鼠模型肠道菌群结构的一个核心因素,揭示了肝-肠-微生物群代谢轴是宿主肠道菌群结构的变化的一个重要机制。

目前肝-肠-微生物群代谢组正在为肥胖和代谢性疾病机制以及干预策略的研究提供全新的线索和思路,而对胆汁酸的代谢进行干预和调整很可能成为未来预防和治疗肥胖和糖尿病的有效方法。


参考文献:Bile Acid Is a Significant Host Factor Shaping the Gut Microbiome of Diet-Induced Obese Mice. BMC Biology. 2017, 15(1): 120.


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