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2019-09-02浏览量:5431

『锐帮读』低温环境诱导的肠道菌群变化帮助小鼠降低由饮食引起的肥胖

导读

体重和肥胖的调节依赖于能量摄入和能量消耗的体内平衡系统。文献表明,诱导小鼠和大鼠棕色脂肪细胞产热可以减少肥胖。棕色脂肪组织(BAT)的体温调节是利用与环境温度成比例的能量储存来维持体温。因此,肥胖可能由个体在较低温度下操纵棕色脂肪细胞表型来调节,从而形成一种降低代谢效率的策略。

 

同时,肠道微生物群会影响体重和能量稳态。微生物多样性以及主要的厚壁菌门和拟杆菌门之间的比例与小鼠以及人类的肥胖调节有关。肠道微生物群对于富含多糖饮食的能量摄入十分重要,它能通过调节有关甘油三酯储存和脂肪酸氧化的不同途径而促成饮食诱导的肥胖(DIO)。

 

胆汁酸(BA)的代谢过程可激活位于iBAT上的核受体法尼氏X受体(FXR)和G偶联受体TGR5,以调节产热。最近的研究已经将低温环境中肠道微生物群的变化与brite细胞的产热潜力联系起来。本研究显示,与低温条件下测定C57BL/6J小鼠brite细胞对DIO耐药性的作用相比,在12℃高脂饮食小鼠的能量平衡急剧变化与肠道微生物群的变化、BA代谢的增加以及诱导iBAT产热相关。

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文献ID

题目:Altered Microbiota Contributes to Reduced Diet-Induced Obesity upon Cold Exposure

译名:低温环境诱导的肠道菌群变化帮助小鼠降低由饮食引起的肥胖

期刊:Cell Metabolism    IF:22.415

发表时间:2016

通讯作者:Leslie P. Kozak & Fredrik Backhed

通讯单位:波兰科学院动物繁殖与食品研究所;瑞典哥德堡大学

 

材料与方法

实验设计

Protocol1:将12~20周龄的C57BL6/J (B6)成年小鼠分为6组(n=8~10只/组)。三组随机投喂HFD (高脂饮食);另外三组投喂CHD(普通饮食)。在12℃, 17℃, 29℃的环境条件下,以12小时光照/12小时黑暗循环的方式将小鼠单独饲养4周。

Protocol2:8周龄的B6小鼠单独饲养在29℃并喂以HFD 4周(n=6)。然后,将小鼠转移至12℃分别饲养1 , 2 , 4 , 6天,并随机喂以HFD(n=6 /时间点)。

对于这两种方案,用过量的由氯胺酮/甲苯噻嗪/氯丙嗪组成的混合物麻醉小鼠,通过心脏穿刺收集血液样品。将血液样品以2,400 rpm离心10分钟并在-20℃下储存。通过颈脱位法处死小鼠,快速取出组织和盲肠内容物并在-80℃下储存。 

 

测序区域及平台

16S rRNA V4区测序;胆汁酸测定

Illumina MiSeq;超高效液相色谱-质谱联用技术UPLC-MS

 

研究成果

1、降低环境温度能通过诱导热发生来预防饮食引起的肥胖(DIO) 

本研究以高脂饮食(HFD)和普通饮食(CHD)分别在热中性和低温条件下饲养小鼠,观察低温诱导对小鼠能量消耗和DIO的影响。12℃和17℃时,HFD和CHD小鼠中,脂肪和肥胖减少(图1A,1B)以及增加摄食量导致能量消耗增加(图1C和1D),表明低温条件阻碍DIO。

 

将环境温度从29℃降至17℃和12℃能诱导CHD和HFD小鼠中iBAT和腹股沟脂肪(ING)解偶联蛋白1(Ucp1)mRNA和蛋白水平的表达(图1E-1H)。细胞能量水平降低导致AMPK磷酸化增加,并与ACC磷酸化增加和Cpt1a表达增加有关,表明肝脏脂肪酸氧化增加(图1I--1K)。随着肥胖的减少,12℃时HFD小鼠的葡萄糖耐受性得到改善,且12℃时CHD小鼠中情况相似(图1L)。

 

图1 降低的环境温度对HFD或CHD小鼠能量平衡表型的影响


(A-D) 脂肪量的变化;(E-F) Ucp1 mRNA 表达量和蛋白表达量;(G) 免疫印迹法检测Ucp1 蛋白(H)和Ucp1 mRNA表达;(I-K) 肝脏中pAMPK (I)、pACC (J)和Cpt1a(K) mRNA水平表达量;(L) 葡萄糖耐量试验。

 

2、饮食和环境温度改变肠道菌群的组成


为研究饮食和环境温度如何影响每个盲肠样本中微生物群落的系统发育丰富度,本文分析了α多样性,通过稀释曲线和系统发育多样性进行了评估(图2A)。与以前的研究结果相似,本研究发现饮食是形成系统发育多样性的关键因素,并观察到CHD小鼠的盲肠菌群比HFD小鼠具有更高的系统发育多样性。不同组盲肠样品间未加权UniFrac距离PCoA分析,以确定饮食和环境温度对菌群的影响。在第一主坐标(x轴)处观察到受饮食驱动的群落明显分离,占据27%的方差(图2B);第二个主坐标(y轴)占方差的13%,并按饮食环境温度将群落区分开(图2B)。此外,12℃的小鼠群体与17℃和29℃的小鼠群体区分开,且在HFD组中最明显(图2B)。

 

门水平分析表明盲肠菌群以放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门( Proteobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)五大门为主(图2C)。在12℃和17℃环境下,HFD小鼠与变形菌的增殖和拟杆菌的减少以及厚壁菌门的增加相关(图2C)。Bacteroidaceae,Rikenellaceae和S24-7(所有拟杆菌科),尤其是CHD组的S24-7和HFD组的拟杆菌科(Bacteroidaceae)出现转移(图2D)。在所有温度下厚壁菌门的增加主要是由于Clostridiaceae,Lachnospiraceae和Ruminococcaceae的增加(图2D)。有趣的是,只有在29℃环境下,Erysipelotrichaceae在两种不同的饮食中都增加。低温下变形菌门的增加,主要由脱硫弧菌科所致(图2D),该科被认为与代谢健康有关。

 

图2 由环境温度和饮食形成的肠道微生物组成和微生物代谢


A. 12℃,17℃和29℃喂食HFD和CHD的小鼠的稀释曲线;B. PCoA分析;C-D. HFD和CHD小鼠盲肠菌群在门(C)和科(D)水平的相对丰度;E.参与BA合成的基因在肝脏中的表达;F-H: 喂食HFD (F)、CHD (G)小鼠血浆BA含量;H.未共轭碱结合的BA比例。

 

LEfSe分析揭示了CHD小鼠中46种差异物种(图3A)和喂食HFD小鼠中34种差异微生物(图3B)。Bacilli纲尤其是Turicibacterales和Lactobacillales目,Erysipelotrichaceae科的Allobaculum属和Peptococcaceae科的rc4-4属在29℃时增加,且与饮食无关(图3)。12℃ HFD饮食的小鼠微生物富集在Corriobacteria菌的AdlercreutziaMogibacteriaceaeRuminococcaceae科的梭状芽胞杆菌,以及脱硫弧菌目的脱硫弧菌属(Desulfovibrio)(图3B)。在17℃ CHD小鼠中观察到类似的变化(图3A)。

 

图3 喂食CHD(A)和HFD(B)的小鼠的盲肠微生物群差异OTU统计

 

3、降低的环境温度和饮食调节胆汁酸(BA)代谢

降低的环境温度强烈诱导肝脏的酶,从而将胆固醇转化为原发性BA,包括CYP7A1(胆固醇7α-羟化酶),CYP8B1(甾醇12α-羟化酶)和CYP27A1(甾醇27-羟化酶),以及产生牛磺酸,牛磺酸则与BA共轭结合(图2E,图4C和4D)。因此,在HFD饮食的小鼠中,BA在29℃下被非结合的BA(CA和α-,βMCA)显著改变并占优势,而12℃两种饮食小鼠中牛磺酸结合的BA,即TCA,TaMCA,和TbMCA在小鼠血浆中升高(图2F-2H)。

 

在12℃环境下的HFD和CHD小鼠中,FGF21在iBAT中分别上调7倍和2.5倍(图4E)。此外,如先前所观察到的,在降低的温度下诱导2型碘甲腺原氨酸脱碘酶表达,这与产热增加相关(图4E)。在12℃下能诱导TGR5受体与微生物产生的二级BA结合,而甲状腺激素受体β则不被诱导(图4E-4G)。

 

图4 参与牛磺酸生物合成和转运(C)和BAs缀合(D)的基因在肝脏的表达。iBAT中Fgf21,Dio2和Thrb(甲状腺激素受体β)mRNA水平的表达(E)。iBAT中TGR5(F,G)蛋白水平的表达。

 

4、肠道微生物群组成由降低的环境温度决定

为了研究肠道微生物群和BA是否因温度降低或肥胖减少而改变,我们进行了动力学实验并分析了在29℃下喂食HFD 4周然后转移到12℃ 6天的小鼠微生物群。29℃ HFD饲养4周后脂肪量和肥胖增加没有受到环境温度降低的影响(图5A和5B),并且低温处理2天后食物摄入量增加20%满足了对热量增加的需求(图5C)。12℃低温下1天诱导Ucp1在iBAT中的表达增加了5倍(图5D),这与之后观察到的12℃ 4周的情况相似(与图1E比较)。

 

肠道微生物群和BA组成在1天内趋向低温状态,证明这些变化与肥胖减少无关(图5E-5H)。与29℃相比,低温1天后,BA主要是由共轭的BA(TCA,TaMCA,TbMCA和TuMCA)组成,而非共轭的BA(aMCA,bMCA和uMCA,与29℃相比)水平减少(图5E)。盲肠微生物组成分析显示,与29℃相比,低温2天后系统发育多样性显著减少(图5F)。

 

在门水平,低温一天后脱铁杆菌门(Deferribacteres)增加,疣微菌门(Verrucomicrobia)减少(图5G)。拟杆菌(Bacteroidetes)增加并且厚壁菌门(Firmicutes)减少,但直到12℃后6天(图5G),拟杆菌/厚壁菌比值才增加(图5H)。在科水平,受低温影响的最丰富的物种是拟杆菌科(Bacteroidaceae),理研菌科(Rikenellaceae),紫单胞菌科(Porphyromonadaceae),脱铁杆菌科(Deferribacteraceae),乳杆菌科(Lactobacillaceae),梭菌科(Clostridiaceae)和消化链球菌科(Peptostreptococcaceae)(图6A)。其他菌,例如S24-7, Clostridiales,LachnospiraceaeRuminococcaceaeErysipelotrichaceaeDesulfovibrionaceae(图6A)没有发生改变,表明这些微生物与HFD饮食相关。与最初的低温4周实验相似,我们观察到了AdlercreutziaBacteroides在低温6天后增加(图6B)。FirmicutesLactobacillusClostridiaceae,SMB53,DehalobacteriumPeptostreptococcaceaeMogibacteriaceae在12℃下降(图6B)。长期低温诱导变形菌门增加,尤其是脱硫弧菌(Desulfovibrionaceae)(图3B),但在12℃短期低温期间没有变化(图6A)。这些数据表明与Ucp1诱导一样,当环境温度下降时,微生物群和BA发生变化,但不依赖于肥胖的变化。

 

图5 急性低温对能量平衡表型的时间依赖以及饮食诱导肥胖小鼠的肠道微生物组成的时间依赖性影响


(A - h)HFD小鼠29℃饲养4周转移至12℃饲养6天后,脂肪量(A)、肥胖(B)、食物摄取量(C)、Ucp1(D)在iBAT和ING中的表达。(E)血浆中测量的BA的变; (F)系统发育多样性比较盲肠微生物群落,(G)门水平丰度,以及(H)低温6天DIO小鼠的微生物群的拟杆菌与厚壁菌门的比率。(E)在血浆中测量的BA组成的变化;(F)系统发育多样性比较盲肠微生物群落;(G)门水平丰度,以及(H)低温6天的DIO小鼠微生物群的拟杆菌与厚壁菌门的比率。

 

图6 低温依赖的微生物组成变化。(A)科水平上的相对丰度,(B)DIO小鼠低温6天后盲肠微生物群的主要变化。

 

5、肠道菌群抑制低温下DIO的发展

为了评估较低环境温度下小鼠的肠道微生物群调节DIO发育的能力,我们进行了微生物群移植实验。与用29℃的微生物群定殖的小鼠相比,用12℃的微生物群定殖的小鼠具有更少的脂肪量和肥胖,以及iBAT中Ucp1和Dio2 mRNA和蛋白的表达水平更高(图7A-7E)。Adrb3Pgc1aFgf21的表达在iBAT中没有改变(图7C);在受试小鼠的ING中未检测到基因表达的变化(图7F)。12℃的供体微生物群定植的受试小鼠中葡萄糖反应得到改善,但肌肉和iBAT中GLUT4蛋白水平没有差异(图7G,8A和8B)。12℃下供体微生物群定殖的受试小鼠中,Cyp8b1、Cyp7b1和Csd在肝中的表达量增加,从而导致BA的改变(图8C和8H)。这些小鼠在血浆中共轭比例增加,而原始的非共轭BA(CA,CDCA和bMCA)和二级BA(DCA和UDCA)的比例降低(图7H)。12℃下的供体肠道微生物群的移植影响肝脏脂质代谢,诱导AMPK磷酸化,增加肝脏中的脂质β氧化(图7I-7k)。尽管如此,脂质分析显示12℃的供体肠道微生物群移植的小鼠血浆中总TAG有适当增加。这些结果表明,12℃和29℃的小鼠微生物群之间的功能差异可以被转移到23℃的受试小鼠。

 

图7 低温下微生物群的转移改善代谢表型

 

脂肪量(A),肥胖指数(B)和生热基因mRNA水平的变化(C),iBAT中UCP1(D)和DIO2(E)的蛋白质水平,ING中产热基因的mRNA水平(F)。葡萄糖耐量测试(G),受体小鼠的BA谱(H)。pAMPK(I)和pACC(J)在肝脏中的蛋白质水平和受体小鼠的Cpt1a(K)表达。

 

研究结论

1、环境温度降低改善因饮食引起的肥胖,这与小鼠/无菌小鼠白色脂肪组织产热增加及血液胆汁酸含量变化相关;

2、低温环境使小鼠肠道菌群结构明显改变,这些细菌丰度改变与宿主胖瘦有关;

3、粪便移植证明低温环境改变的菌群能抑制小鼠肥胖发生。

 

亮点

该研究结合16S rRNA测序和胆汁酸检测等技术,揭示了环境温度与肠道菌群结构、以及饮食引起的肥胖之间的关系,证明了低温环境下,肠道微生物群的变化介导了BA的代谢,并探究了其中的信号调控机制。

  

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