菊粉通过部分恢复肠道菌群介导的瘦素相关通路，缓解ob/ob小鼠代谢紊乱 | 微生物专题

发表期刊： Genomics Proteomics Bioinformatics

影响因子：6.6

研究内容：通过转录组和微生物组的研究探讨菊粉缓解代谢紊乱的相关机制

关键词：益生元，肠道菌群，肥胖，转录组，代谢紊乱

发表时间：2019.4

1研究背景

代谢综合征是指人体的蛋白质、脂肪、碳水化合物等物质发生代谢紊乱的病理状态，是一组复杂的代谢紊乱症候群，是导致糖尿病心脑血管疾病的危险因素，也是当前世界重点关注的慢性疾病。

菊粉(Inulin)是一类天然果聚糖的混合物，人们日常食用的植物如：洋葱、大蒜、香蕉、小麦等都含有菊粉，菊芋和菊苣由于菊粉含量较高，也是当前菊粉生产商主要使用的原料。作为一种益生元，菊粉可以通过调节肠道菌群来调节肠道微生物相关疾病，如代谢紊乱、过敏和炎症性肠病(IBD)等，然而，菊粉通过肠道微生物群和宿主细胞之间的相互作用减轻代谢紊乱的机制尚不清楚。

2实验设计

在本项研究中，采用C57BL/6J 小鼠喂食正常鼠粮 (n = 6)，瘦素基因缺陷（ob/ob）小鼠喂食正常鼠粮 (n = 6)以及ob/ob小鼠菊粉干预4周 (n = 6) 共3组小鼠作为模型进行实验，使用腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT）法测试葡萄糖耐受量，HE染色观察肝组织形态，ELISA法测定脂联素、胰岛素以及白细胞介素-1α的血清水平。通过16S rDNA扩增子测序和转录组学研究菊粉干预对小鼠的影响，功能富集及相关性分析探讨相关作用机制。

3实验方法

16S rDNA，RNA-seq

4研究内容

• 菊粉可以改善肥胖小鼠的代谢紊乱相关症状
  

为了研究菊粉对ob/ob小鼠糖脂代谢紊乱的影响，进行小鼠腹腔葡萄糖耐量试验（IPGTT），检测了体重、每日食物摄入量、肝脏指数、、血清总胆固醇、TC/HDL-C 比值、血糖等糖脂代谢相关参数，结果显示ob/ob小鼠在菊粉干预4周后，食量降低、总胆固醇下降，代谢参数有所改善。IPGTT的AUC降低，表明葡萄糖耐量显著提高，测量了结肠组织中Glp-1 mRNA水平，添加菊粉可使ob/ob菊粉中Glp-1 mRNA水平升高，说明菊粉可恢复ob/ob小鼠的葡萄糖稳态。肝组织染色结果显示，ob/ob小鼠出现严重肝脂肪变性，经菊粉处理后肝脂肪变性减轻。综上所述，菊粉有助于抑制食欲，改善糖脂代谢紊乱，恢复肝损伤。

图1 A:日摄食量 B:肝脏指数 C:血清总胆固醇 D:TC/HDL-C 比值 E：血糖折线图 F：IPGTT实验的AUC值

  图1H肝脏组织HE染色染色的图像

• 菊粉干预的ob/ob小鼠肠道微生物发生明显变化

为了探讨菊粉对ob/ob小鼠肠道菌群的影响，对盲肠内容物进行了16S rDNA测序。进行LEfSe 差异分析。与野生型小鼠相比，ob/ob小鼠富集Alistipes, Anaerotruncus, Roseburia, Candidatus Saccharimonas, Lachnospiraceae UCG 001, Intestinimonas, Turicibacter, and Family XIII UCG 001 ，而Prevotellaceae UCG 001, Parasutterella, Parabacteroides,Erysipelatoclostridium, and Bilophila 的丰度较低；与菊粉ob/ob小鼠相比，ob/ob小鼠富集Alistipes, Anaerotruncus, Desulfovibrio, Lactobacillus,Butyricicoccus, Intestinimonas, Ruminiclostridium 6, Family XIII UCG 001, and Ruminococcaceae UCG 005 ，而Prevotellaceae UCG 001, Oscillibacter,Lachnospiraceae UCG 006, Lachnospiraceae UCG 008, Enterobacter, and Parvibacter 在菊粉干预的ob/ob小鼠中丰度更高。基于LEfSe差异分析结果，得到了5个重点关注的属分别是Prevotellaceae UCG 001, Alistipes, Anaerotruncus, Intestinimonas, and Family XIII UCG 001 。

图2A. OTU数目 B. Shannon 指数 C.Simpson指数D. LEfSe 差异分析LDA值

F. Prevotellaceae UCG 001相对丰度

G.Alistipes,Anaerotruncus, Intestinimonas, Family XIII UCG001相对丰度

• ob/ob小鼠盲肠代谢相关信号通路发生改变，菊粉干预恢复某些代谢相关的信号通路

为了研究野生型小鼠和ob/ob小鼠盲肠转录组的差异，进行了RNA-seq。ob/ob小鼠和野生型小鼠盲肠转录组的差异分析表明，有1208个差异表达基因(762个基因上调，446个下调基因)。对差异基因进行KEGG功能富集分析，发现232条信号通路，随后与5个代谢参数进行相关性分析，结果得到了50个与代谢参数有较强的相关性候选信号通路，主要涉及与环境信息处理、生物机体系统和新陈代谢等，这一结果表明，ob/ob小鼠瘦素基因缺陷影响某些代谢相关信号通路。

接着研究了菊粉干预对肥胖小鼠盲肠转录组的影响。ob/ob小鼠菊粉干预组与ob/ob小鼠组差异分析得到362个差异基因(216个上调基因，146个基因下调)，KEGG功能富集到140个信号通路。使用与上述相同的相关分析方法，筛选到了62个候选信号通路。最后，比较ob/ob组与野生型组、ob/ob菊粉组与ob/ob组的候选途径，确定了8条信号通路，它们的富集分数因瘦素基因缺陷而改变，但通过添加菊粉的饮食可以恢复。

图3 A.8条pathway 热图

B.8条pathway差异盒形图（*P< 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001）

• 细菌、信号通路和代谢参数之间的相关性

为了进一步分析盲肠菌群和盲肠转录组之间的关系，对5个代谢参数的5个属和8个信号通路进行相关性分析。相关分析表明，Prevotellaceae UCG 001与肝脏指数 TC/HDL-C比值呈显著负相关，而Alistipes、Anaerotruncus、Family XIII ucg001与上述参数呈正相关。此外，研究发现AMPK信号通路、鞘脂类信号通路、多巴胺能神经元突触、甘氨酸/丝氨酸/苏氨酸代谢与5个代谢参数呈负相关，而丙酮酸代谢、糖酵解/糖异生、甲状腺激素合成、花生四烯酸代谢与5个代谢参数呈正相关。

为了研究肠道微生物群是否受到瘦素基因缺陷和菊粉补充饮食的影响，作者对5个属和8个信号通路进行了相关性分析。结果显示AMPK信号通路与Prevotellaceae UCG 001呈显著正相关，与其余4个菌属呈负相关。Prevotellaceae UCG 001的丰度与AMPK信号通路、鞘脂类信号通路、多巴胺能神经元突触的富集正相关，Alistipes 的丰度与丙酮酸代谢、糖酵解、糖异生、甲状腺激素合成、花生四烯酸代谢通路显著正相关，这些通路与Prevotellaceae UCG 001呈负相关。

图4 A.5个属，8个信号通路和5个代谢参数之间的pearson相关性热图

B.5个属和8个信号通路之间的Spearman相关性(*P < 0.05)

5小结

菊粉改善了ob/ob小鼠的糖脂代谢紊乱，减轻了脂肪堆积和葡萄糖耐受不良，菊粉处理降低了ob/ob小鼠肠道微生物群落的α多样性，而b多样性趋近于野生型小鼠的水平，Prevotellaceae UCG 001在菊粉处理后明显富集。转录组差异分析结果显示，ob/ob小鼠的盲肠转录组有差异，而添加菊糖粉的饮食部分逆转了瘦素基因相关信号通路的变化。

菊粉干预促进Prevotellaceae ucg001在ob/ob在小鼠肠道中的增殖，该菌具有降解纤维素和木聚糖的酶，能参与菊粉的酵解并产生短链脂肪酸SCFAs，由于Prevotellaceae UCG 001与AMPK信号通路呈正相关，与糖脂代谢紊乱标志物呈负相关，由此推测菊粉通过Prevotellaceae ucg001的增殖，产生大量SCFAs，而SCFAs可识别G蛋白偶联受体，激活AMPK信号通路。最后，这个信号导致下游代谢功能发生改变（如促进脂肪酸氧化、糖酵解糖异生等），最终缓解宿主糖质代谢紊乱的状况。

图5推测菊粉减轻ob/ob小鼠糖脂代谢紊乱的作用机制

6参考文献

 Song, Zhong, Lyu, Liu, Li, Hao, Xue, Li, Feng, Ma, Hu, Zhu. Inulin Can Alleviate Metabolism Disorders in ob/ob Mice by Partially Restoring Leptin-Related Pathways Mediated by Gut Microbiota,2019.

相关阅读