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2019-07-22浏览量:1306

『锐帮读』肠道菌群在调节血浆及粪便代谢组对血管紧张肽II的应答中起关键作用

高血压是全球性的健康问题,已知多种代谢途径在其发展中发挥重要作用,包括肾素-血管紧张肽-醛固酮系统、免疫系统、和内皮功能。近年来,人类和动物模型中的证据表明,肠道菌群也在高血压的发展中起作用。在小鼠,大鼠和人类中,肠道菌群的失调与高血压相对应,使用抗生素纠正这种失调,能够降低血压。高盐饮食已被证明会使乳酸杆菌活性降低,用这种菌株处理小鼠可以减弱盐敏感性高血压。此外,从高血压小鼠到无菌(GF)小鼠(没有天然微生物群的小鼠)的粪便移植可以转移高血压表型,表明菌群不仅可以响应高血压表型,而且可以调节表型本身。

 

肠道菌群影响宿主,主要是通过代谢物的产生。我们使用代谢组学方法,通过Ang II处理,鉴定在正常小鼠(其具有肠道微生物群)、GF小鼠(其缺乏肠道微生物群)中差异调节的代谢物。

 

文献ID

题目:Gut Microbiota Plays a Central Role to Modulate the Plasma and Fecal Metabolomes in Response to Angiotensin II

译名:肠道菌群在调节血浆及粪便代谢组对血管紧张肽II的应答中起关键作用

发表期刊:Hypertension   IF:7.017

发表时间:2019

通讯作者:Jennifer L. Pluznick

发表单位:约翰霍普金斯大学医学院

 

材料与方法

实验设计

本研究使用4组6周龄小鼠:正常(n=6)、GF(n=6),输注Ang II 4周(400 ng·kg−1·min−1);以及平行对照组,正常(n=6)、GF(n=6),通过微泵输入盐水(0.9% w/v)。每组雌雄数目相等。实验小鼠在14/10的光/暗循环中单独饲养,喂食相同饮食,实验期间自由饮水。植入微型泵,收集血液与粪便,并进行代谢组学检测。

 

测序区域及平台

16S rRNA 基因V3-V4扩增子测序

Illumina Miseq测序平台

 

研究成果

我们在血浆中检测到总共822种代谢物,在粪便中检测到944种代谢物。

 

图1.血浆和粪便代谢物的主成分分析显示无菌状态的强大作用。用Ang II或盐水(Sal)处理的正常(Con)和无菌(GF)小鼠的血浆(A)和粪便(B)中代谢物的主成分分析。血浆和粪便代谢物中,GF比处理状态起更强的作用。血浆代谢物在GF状态和性别中均观察到差异。

 

1、血浆代谢物与Ang II改变

我们的主要目标是鉴定在正常小鼠中用Ang II处理显著改变的代谢物。表中所示的代谢物是血浆代谢物,其在正常小鼠中通过Ang II处理进行差异调节。该表列出了每种差异调节的代谢物的生化名称以及它们所属的主途径和亚途径。

 

 

图2.红色表示统计学上显著的上调,而绿色表示统计学上显著的下调。图中的数字反映了每组(即Ang II /盐水)的倍数变化。在正常小鼠的血浆中,我们检测到4种显著上调的和8种显著下调的代谢物(ANOVA,P <0.05,Q <0.2)。尽管正常粪便样品显示出变化,但在GF粪便样品中,任何一种都没有显著变化。

 

2、血浆代谢物与Ang II上调

正常小鼠中因Ang II上调的代谢物在图3A中显示。GF条件下几乎未检测到4-甲基苯基硫酸盐、对甲酚硫酸盐和对甲酚葡糖苷酸,表明这些代谢物依赖于菌群生长。相反,亚精胺仍存在于GF组中,但不能受Ang II处理上调。这表明该化合物的产生可能是由微生物组和宿主(或宿主饮食)产生的。

 

3、血浆代谢物与Ang II下调

我们鉴定出8种血浆代谢物,在用Ang II处理的正常小鼠中显著下调(图3B)。这些化合物中有一些在GF小鼠中含量极少,这意味着它们依赖于肠道菌群,而肠道菌群代谢能力受Ang II处理下调。其他产物在GF小鼠中以不同水平表达,但未被Ang II差异调节,表明宿主和微生物群都有助于代谢产物的产生。

 

4、代谢物变化的性别差异

由于主成分分析(图1)显示血浆代谢物存在性别差异,因此通过性别进一步分析血浆代谢数据。两种性别的变化方向(上调与下调)总是相同的;只有变化的幅度似乎有所不同。

 

图3.此图中展示了正常小鼠中血管紧张肽II(Ang II)显著上调或下调的血浆代谢物。在正常(Conv)小鼠中用Ang II处理显著上调的血浆代谢物如图A;显著下调的血浆代谢物如图B,具有统计学显著性(盐水[Sal] vs Ang II,P<0.05,ANOVA P<0.2)。绘制Box图。GF表示无菌。

 

5、粪便代谢物与Ang II改变

使用Ang II处理显著上调的粪便代谢物(n=25),图4A中显示前8种代谢物的Box图,在正常小鼠中因Ang II上调的25种代谢物中,没有一种在GF小鼠中上调。

使用Ang II处理显著下调的粪便代谢物(n=71),图4B中显示前8种代谢物的Box图,在正常小鼠中因Ang II下调的71种代谢物中,没有一种在GF小鼠中下调。

 

图4.此图展示了正常小鼠血管紧张肽II(Ang II)显著上调或下调的前8种粪便代谢物。上调的展示在图A,下调的展示在图B。

 

6、16S微生物测序

来自正常小鼠粪便菌群的16S(V3-V4)测序结果揭示了盐水处理与Ang II处理的小鼠微生物组成的改变。尽管生理盐水和Ang II处理组在α-多样性(Shannon,Chao1)上没有明显差异,但在属(前50)和种(前100)水平上可以看出其通过处理方式聚类(图5A),这表明Ang II处理显著改变了菌群。门水平上主要为厚壁菌门、拟杆菌门和软壁菌门(图5B)。与Ang II诱导的菌群改变一致,β多样性的PCA分析(图5C)显示,盐水与Ang II处理的小鼠,微生物群落显著不同(P值:0.029);然而没有观察到雌雄之间β多样性的显著差异(P值:0.46)。值得注意的是,有个别物种/OTU,与性别和处理方式有关。例如,用盐水处理的雄性小鼠、用Ang II处理的雄性小鼠、或用盐水处理的雌性小鼠中,Clostridium celatum几乎未检测到;但在用Ang II处理的雌性小鼠中显著上调(图5D)。

 

图5.Ang II或盐水处理的正常(Conv)小鼠粪便的16S测序结果,显示了Ang II处理带来的显著改变。

 

研究结论

1、在正常小鼠及无菌小鼠中,使用微型泵灌输血管紧张肽II(Ang II)或生理盐水;在Ang II灌输的正常小鼠中,鉴定出4种血浆代谢产物显著上调,8种血浆代谢产物显著下调,这些代谢产物在Ang II灌输的无菌小鼠中无显著变化。

2、与此类似,在Ang II灌输的正常小鼠中,鉴定出25种粪便代谢产物显著上调,71种粪便代谢产物显著下调,这些代谢产物在Ang II灌输的无菌小鼠中无显著变化。

3、Ang II灌输显著改变了小鼠的粪便菌群组成,且存在性别差异。

 

亮点

本研究首次表明Ang II介导的血浆和粪便代谢物的变化完全依赖于肠道菌群。肠源性代谢物包括潜在有益和有害的分子,这意味着肠道菌群对宿主健康的影响可能有多种。首次揭示肠道菌群在响应Ang II时改变代谢组学的主要作用;展望未来,在其他研究中能否验证这些发现至关重要。

 

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