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                  “肥胖型”小鼠的腸道菌群結構是如何形成的?

                  發布日期:2019.09.29

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                  美國夏威夷大學賈偉教授課題組對高脂飲食后宿主的腸道菌變化進行動態跟蹤,發現正是高脂飲食下腸道中膽汁酸濃度上升、種類變化,從而快速、有效地改變了菌群結構,膽汁酸代謝是形成“肥胖型”腸道菌群結構特征的一個主要因素。小編給大家介紹一下這篇使用代謝組學作為研究方法的文獻。


                  研究背景


                  2006年,美國華盛頓大學系統生物學教授Jeffrey Gordon以及他所領導的研究團隊發表在Nature上的研究顯示,與瘦人的菌群組成相比,腸道中兩類主要的細菌,Firmicutes(厚壁菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)在胖人中有明顯的改變,Firmicutes與Bacteroidetes豐度比值明顯升高。

                  之后,有關腸道菌群在肥胖等代謝性疾病中的研究逐漸升溫,成為生物、醫學界的一個科研熱點,這一領域中的研究主要集中于腸道菌群如何調節能量代謝,導致肥胖的發生,而對于十多年前 Jeff Gordon 的發現 - 具有高豐度比例的厚壁菌門/擬桿菌門的“肥胖型”腸道菌群這一結構是如何形成的,研究人員仍然不甚明了。


                  研究材料及方法


                  實驗動物:雄性、三周大  小鼠(C57BL/6J mice)


                  實驗一:

                  將小鼠分為5組(n=7/組,作為生物學重復),分別飼喂8周,

                  (1)   對照組,飼喂正常食物(10%脂肪熱量);

                  (2)   HFD組,飼喂含45%椰子油脂肪熱量的食物;

                  (3)   對照組BA組,喂以1 mmol/kg GCA和TCA;

                  (4)   HFD GW4064組,喂以GW4064含量為180 mg/kg 的HFD;

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


                  實驗二:

                  將小鼠分為18組(n=5/組,作為生物學重復),其中9組用正常周糧喂養,9組用HFD喂養。在以下9個時間點(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)分別殺死兩組小鼠。


                  實驗結果


                  1. 對于肥胖模型小鼠體內代謝物進行檢測

                  作者通過對肥胖模型小鼠進行代謝組學研究分析,發現膽汁酸、氨基酸、脂質等代謝產物對于腸道菌群的結構變化的貢獻并不相同。膽汁酸與厚壁菌門、變形菌門等8個門層次的腸道微生物相關性最強。

                  膽汁酸是膽汁的主要有機成分,。宿主食用食物后,膽囊在胰酶分泌素作用下發生收縮,驅動腸肝循環,分泌膽汁進入腸道,幫助消化吸收脂肪;同時,膽汁酸在進入腸道后會與腸道菌群產生生化反應。一方面腸道菌分泌膽鹽水解酶(BSH)和代謝酶(如7α-去羥化酶),使初級膽汁酸代謝成次級膽汁酸;另一方面,膽汁酸與腸道細菌的細胞膜具有較強的親和力,會破壞其細胞膜的完整性,因而會殺滅一部分腸道細菌,并改變腸道菌群的結構,因此具有抑菌性。(如圖1)。

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                  圖 1


                  2. 探究膽汁酸與腸道菌群作用的整個生化過程

                  作者在不同時間點,即第0、0.5、1、2、3、6、10、28和56天,將高脂飲食或正常食物喂養的小鼠殺死,以此研究腸道菌群和膽汁酸的變化。發現高脂飲食的小鼠,在進食12小時(即0.5天)時腸道內膽汁酸的濃度達到最高,濃度升高的膽汁酸種類也最多。而腸道菌群的結構組成的變化主要發生于一天之后,在第三天時豐度發生變化的腸道細菌最多。(如圖2)。

                  這個結果表明高脂飲食首先改變了膽汁酸的代謝和分泌增加,之后腸道菌群的組成結構才發生了變化。

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                  圖 2


                  3. 高脂飲食誘導的腸道微生物群變化及其與膽汁酸的關系

                  作者比較正常組和高脂組小鼠盲腸中膽汁酸和菌群結構的差異,發現高脂組中膽汁酸濃度顯著上升,包括膽酸、鵝去氧膽酸、甘氨結合膽酸(GCA)、牛璜酸結合膽酸(TCA)、牛璜酸結合鵝去氧膽酸、牛璜酸結合去氧膽酸、去氧膽酸、石膽酸、β-鼠膽酸、7-羰基石膽酸的上升。

                  正常組小鼠的腸道菌群結構中,Proteobacteria(變形菌門) 豐度占41.91%,Firmicutes(厚壁菌門) 占30.59%,Bacteroidetes(擬桿菌門) 占26.22%,其它豐度較低的包括Verrucomicrobia(疣微菌門) 0.95%, Deferribacteres(脫鐵桿菌門) 0.12%和Cyanobacteria(藍藻門) 0.018%。而高脂組小鼠中,Firmicutes的豐度增加到47.51%,Proteobacteria和 Bacteroidetes的豐度則分別降到34.86%和16.94%,Firmicutes與Bacteroidetes的豐度比值明顯升高,這一結果與Jeff Gordon 的發現高度吻合。

                  將膽汁酸和腸道菌豐度作相關性分析時發現,在檢測到的42種膽汁酸中,有33種膽汁酸至少和一個菌種成顯著相關性。微生物組成表明,八種微生物種類r.gnavus、blautia spp、allobaculum spp、bilophila spp、desulfovibrio spp、prevotella spp、bacteroides spp和akkermansia muciniphila可能受肥胖相關腸道微生物群的膽汁酸調節。 除脫硫弧菌屬外,其余7種微生物與膽汁酸顯著相關。因此,這七種微生物可能對特定高脂飲食的膽汁酸分泌增加有不同反應。 


                  4.驗證:膽汁酸本身是否可以模擬出這個“肥胖型”菌群結構?

                  作者進行了一個代謝組學實驗,在一組小鼠的(正常)飼料中添加膽汁酸(TCA和GCA),實驗結果發現飲食中加入膽汁酸后,小鼠的體重、腹部脂肪重量、肝臟重量、血清膽固醇含量均顯著升高,腸道菌群的組成結構的變化趨勢則接近于高脂組。

                  而在另一組高脂飲食小鼠的飼料中加入一種小分子化合物GW4064(fxr抑制劑),來抑制小鼠膽汁酸合成,減少膽汁酸的分泌,結果表明這一組小鼠的體重、腹部脂肪重量、肝臟重量、血清膽固醇含量均顯著降低,腸道菌群的組成結構有逐漸向對照組變化的趨勢。這一研究結果為膽汁酸是腸道菌群變化的重要因素提供了直接的證據。(如圖3)。

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                  圖 3

                  結論


                  本研究通過代謝組學的研究方法,對于膽汁酸和腸道菌群的相互的生化關系進行研究,發現膽汁酸的變化是導致肥胖型小鼠模型腸道菌群結構的一個核心因素,揭示了肝-腸-微生物群代謝軸是宿主腸道菌群結構的變化的一個重要機制。

                  目前肝-腸-微生物群代謝組正在為肥胖和代謝性疾病機制以及干預策略的研究提供全新的線索和思路,而對膽汁酸的代謝進行干預和調整很可能成為未來預防和治療肥胖和糖尿病的有效方法。


                  參考文獻: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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