肥胖可通过靶向肠道菌群干预来调节？ | 论文精读

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文献ID：

文章题目：《Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention》

期刊名称：《Nature medicine》

发表时间：2017年6月

影响因子：32.621

主要研究团队：上海交通大学瑞金医院、华大基因

研究亮点：

1. 肠道微生物群与人类肥胖有关，本文首次通过收集一群身材匀称、肥胖年轻的中国群体样本，进行肠道微生物宏基因组研究与血清代谢组研究。

2. 研究发现与肥胖相关的肠道微生物种类与循环代谢物的变化有关。谷氨酸盐发酵共生体菌-多形拟杆菌丰度，在肥胖群体中丰度显著降低，而血清中谷氨酸盐浓度下降。

3. 投喂多形拟杆菌后，小鼠血浆中谷氨酸盐浓度降低，且可减缓饮食导致的小鼠体重增加与肥胖。

4. 进行减肥手术干预减肥个体中，可影响肥胖相关微生物与代谢改变，包括降低多形拟杆菌丰度与血清中谷氨酸浓度升高。

5.本文鉴定了肠道微生物群的改变与氨基酸代谢循环与肥胖之前关系，表明可通过靶向肠道菌群干预来调节肥胖。

研究背景：

肥胖疾病是一个全球性疾病，可引起代谢疾病如2型糖尿病等，越来越多报道证实，肠道菌群是导致肥胖的一个重要因素。

前期报道显示，肥胖症患者肠道菌群多样性与丰度整体下降，拟杆菌门与厚壁菌门比值下降，且通过节食干预或者胃旁手术后，肠道菌群中此比值会上升。

然而，此研究结果在之后其他研究中出现争议。有研究通过对丹麦一群健康身材与肥胖个体肠道菌群宏基因组测序，显示其丰度以及多样性差异与年龄、种族以及饮食习惯相关。

因此，本文就中国汉族人群中的健康匀称与肥胖体质群体，以及通过胃切手术进行减肥群体，进行肠道微生物差异检测以及宿主谱氨基酸影响差异比较，同时采用小鼠模型进行验证，发现多形拟杆菌是导致脂肪与氨基酸水平发生变化的主要菌群。

研究方法：

1. 257个粪便样本。

【Cohort1】151个训练样本：72肥胖患者+79健康对照(control)；【Cohort2】49个测试样本：23肥胖患者+26健康对照(control)。

63个样本来源于23个肥胖患者，其中有6个是进行了SG手术的样本。

2. 宏基因组测序数据，物种方面进行MLGs注释，功能方面注释KEGG数据库；肥胖与健康对照进行的血清代谢组学分析的非靶向检测，对217个MLGs和148个代谢物使用CIA分析来寻找患者与对照组的共变量、使用CCA进行关联分析。

3. 动物小鼠模型。

研究成果：

1． 通过宏基因组分析与肥胖相关的基因和物种变化

（1）通过宏基因组分析【Cohort1】，发现与之前关于欧洲人群的研究相同，中国肥胖青少年比起健康对照有更低的基因数目和细菌多样性，同时有更高的β-多样性系数，说明肥胖个体的微生物群体有更高异质性的社群结构（图1a-d）。

（2）通过宏基因组分析，我们将350,524个与肥胖相关的基因聚类为MLGs（metagenomic linkage groups），得到217个肥胖相关的MLGs（每个MLGs至少有100个基因）。基于此，绘制了MLGs互作图（图1e）。从图可以看出，control-enriched MLGs比obesity-enriched MLGs之间有着更强的互作。

（3）其他一些小结论：a. Akkermansia muciniphila 和 Fecalibacterium prausnitzii（之前已经有过研究，能够阻碍肥胖和抑制炎症）在健康对照的样本中高度富集。b. D. longicatena, F. prausnitzii,B. intestinalis and B.thetaiotaomicrion是健康对照人群和肥胖人群中丰度差异最显著的几种菌。

图1 年轻肥胖个体的肠道微生物改变。健康匀称对照组粪便样本的鸟枪测序数据比较(n = 79)和肥胖个体(n = 72)。

2. 肠道微生物种类和临床指标间的关联

（1）基于permutational analysis of variance （PERMANOVA）研究临床指标的变化和肠道微生物改变间的联系，找到了包括BMI在内的28个临床指标。

（2）基于Random forest regression（随机森林回归），针对每一个指标利用菌群的相对丰度建立模型。显著地，26MLGs极好地拟合了BMI，在训练集上R2=0.59，测试集上R2=0.36。另外这些MLGs还和代谢特征相关。PS：图2a是计算的Spearman相关系数，而文献中描述的是随机森林回归，但二者都反映了MLG和临床特征之间的关系。

（3）瘦素（leptin）和脂联素（adiponectin）是两种脂肪细胞衍生的激素，并且在肠道微生物群定植后，循环瘦素的浓度就增加。我们发现，F. prausnitzii and B. thetaiotaomicron和循环瘦素的浓度负相关，与循环脂联素的浓度正相关，意味着这些物种组成了和微生物群以及代谢状态相关的潜在的biomarkers（图2b）。

图2 肠道微生物种类与临床指标检测(a) 28个临床指标和26个BMI相关的MLGs，151个样本和49个样本组差异均有统计学意义(空腹血糖;PBG、2 h血浆葡萄糖;空腹胰岛素、空腹血清胰岛素;胰岛素2小时，血清2小时统计比较； (b)两个脂肪因子之间的相关网络。

3. 肥胖个体微生物组的功能特征

（1）研究者找到了5,705个KEGG的同源物（KOs），每个KO至少在六个样本中鉴定到，其中有584个KOs在健康对照和肥胖的样本中丰度显著不同。

phosphotransferase system（磷酸转运酶系统）在肥胖个体的微生物群中高度富集；citrate cycle（柠檬酸循环）在肥胖个体的微生物群中缺失；和碳水化合物代谢相关的通路，包含fructose and mannose metabolism，galactose metabolism，starch and sucrose metabolism，（果糖和甘露糖代谢，半乳糖代谢和淀粉和蔗糖代谢）都在肥胖人群中富集。

（2）我们发现肥胖个体微生物组中与LPS biosynthesis （LPS生物合成）和peptidoglycan biosynthesis （肽聚糖生物合成）相关的基因丰度高于对照组，这可能与在代谢组汇总观察到的LBP，TNFα和IL6的高血清浓度有关。

（3）此外，与对照相比，涉及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成的氨基酸代谢相关途径以及谷氨酰胺/谷氨酸转运系统的模块在肥胖个体中高度富集，而涉及缬氨酸、亮氨酸的微生物基因和异亮氨酸降解在对照组富集。因此，在肥胖个体的微生物群中产生芳香族氨基酸（AAA）和支链氨基酸（BCAA）的可能高于对照组。

总之，这些数据表明，肥胖个体的微生物群可能具有更高的碳水化合物利用能力和更高的促炎因子以及AAA和BCAA的产生能力。

4. 肠道微生物种类和宿主循环代谢的关联

（1）研究者进行了非靶向的代谢组图谱绘制，找到了148个在肥胖与对照有差异的代谢物；其中有13个代谢物被结构性的定义，包含谷氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸。

（2）关于氨基酸代谢图谱的研究发现，34种氨基酸中的20种在血清中的浓度在健康和肥胖个体中显著不同。研究者给予co-inertia analyi（CIA）分析寻找217个MLGs和148个代谢物中的共变量。基于CCA分析Case-enriched和control-enrichedMLGs在酪氨酸、苯丙氨酸、谷氨酸和BCAAs的向量上被区分开来，表明这些氨基酸和肥胖中被改变的微生物群有着紧密的联系。

（3）在所有的被检测的氨基酸中，相比于健康对照，谷氨酸在肥胖个体中具有最大的增加量。谷氨酸与16个obesity-enriched的MLGs正相关，与18个control-enriched的MLGs负相关（图3a）。值得注意的是，obesity-enriched 的菌Ruminococcus sp., D. longicatena, C. comes and OB-8293（含有编码从谷氨酸盐生成谷氨酸的酶的基因）和循环的谷氨酸水平成正比，和谷氨酸盐的水平成反比。这些都表明体内代谢的谷氨酸和谷氨酸盐的水平可能会反映这些菌群丰度的变化。

（4）另外，血清中谷氨酸的含量还和B. thetaiotaomicron的丰度呈现负相关，而这种菌拥有编码谷氨酸脱羟酶（将谷氨酸转化为GABA）的基因。

图3 肠道微生物种类与循环氨基酸的关系。(a)采用139个样本进行Spearman秩相关分析 (b) MLGs与血清谷氨酸水平有关，并具有与谷氨酸代谢相关的基因。

对照组和肥胖个体中显示的KOs差异显著（对照n = 79;肥胖n = 72; K01580用于谷氨酸脱羧酶；蒽醌合成酶组分I；蒽醌合成酶组分K01956，氨基磷酸盐合成酶小亚基；腺苷酸合成酶K02232；pyridoxine生物合成蛋白K06215；K02500环化酶；K02501谷氨酰胺amidotransferase。GABA, 伽马氨基丁酸）。

5. B. thetaiotaomicron（多形拟杆菌）对肥胖和宿主代谢的影响

(1) B. thetaiotaomicron是人类肠道中的优势菌群，它的消耗和肥胖以及血清中的氨基酸浓度相关。使用not heat-killed B. thetaiotaomicron菌灌胃，显著降低常规饲养小鼠的总体和腹股沟脂肪量和增加了lean body mass（图4a-c）。进一步，该措施会减轻HFD（high fat diet）喂养的小鼠的体重的增加和肥胖（图4d-f）。在HFD的小鼠中，给予live B. thetaiotaomicron比给予PBS（磷酸缓冲盐水）和heat-killed B. thetaiotaomicron的，表现出血浆的脂联素浓度更高，瘦素浓度更低（图4g-h）。曾经关于白色脂肪组织的研究表明，给予live B. thetaiotaomicron比给予PBS（磷酸缓冲盐水）和heat-killed B. thetaiotaomicron的脂肪细胞更小（图4i，j）。

图4 B. thetaiotaomicron（多形拟杆菌）对肥胖和宿主代谢的影响

（2） 此外，编码参与脂肪生成的蛋白质的基因（包括Srebf1、Scd1和Fasn）的mRNA水平在用活的B.thetaiotaomicron 饲喂的HFD小鼠的白色脂肪组织中较低，而参与脂解和脂肪酸氧化的基因的表达，包括Adrb3、Pnpla2、Cpt2、Acox1和Ppargc1a较高（图4k）。此外，HFD小鼠的脂肪组织中炎症标记物Cd68、Ccl2、IL6和Il1b的表达响应于用活的B.thetaiotaomicron的管饲而减弱，表明炎症状态改善（图4l）。值得注意的是，检测到用活体B.thetaiotaomicron强化的HFD小鼠中的循环氨基酸丰度较低，包括谷氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸和缬氨酸，而不是用PBS强化的HFD小鼠（图4m）。

总的来说，这些发现表明B.thetaiotaomicron保护小鼠免受饮食诱导的肥胖并影响循环氨基酸浓度。

6. 袖状胃切除术对肠道微生物组及代谢参数的影响

（1）研究者分析了23个肥胖个体在0M（at baseline）、1M、3M（after SG）三个时间的肠道微生物、循环氨基酸、临床表型相关参数。我们使用了基于MLGs相对丰度的随机森林分类器来区分肥胖个体和健康对照个体。使用该分类器揭示了肥胖个体在经过SG手术后的状态的变化（图5a）。基因数目、多样性等各种数据都表明经过SG三个月后的个体数据指标在向健康对照的个体靠近。

（2）功能上，在手术三个月后，34个obesity-enriched的KEGG通路中的17个变得不那么显著。这些结果表明大量的微生物酶的功能在手术后变得和健康对照个体的越来越相似。

（3）研究者发现了一些菌群的减少和一些菌群的增加（图5b）。

（4）通过GEE模型，我们发现菌群的变换伴随着一些临床指标的变化（图5c，5e）。

（5）代谢物的变化（图5d）。

图5 袖状胃切除术干预减肥过程中微生物及代谢变化。(a)试验中粪便微生物群的分类 (对照组n = 26;肥胖n = 23)和术后3个月(m, n = 23)， 1个月(m, n = 17)和3个月(m, n = 23)胃切除术由随机森林分类肥胖和对照样本，手术后不同时间点比较。(b)在指定的组中，B . thetaiotaomicron的MLGs相对丰度对照组和肥胖个体的显著性差异 (c) BMI相对于B. thetaiotaomicron中相对丰度的散点图 (d)胃切除术前后3个月血清氨基酸丰度(0M, n = 15;3M, n = 15) (e)血浆谷氨酸水平的散点图，在每个科目中，相对丰富的MLGs为B. thetaiotaomicron。左右散点图反映了两个MLGs之间的变化之间的联系。

文章总结

已证实多形拟杆菌对肥胖的影响，其调控肥胖可能还与其它微生物相互作用，共同调控机体新陈代谢，谷氨酸盐对脂肪的影响需要进一步研究。

科技君点评

本文研究拓展了肠道菌群物种水平之间与宿主代谢以及肥胖关系，指出了针对肠道菌群进行肥胖干预可能的未来模式。

参考文献：

Liu, R., J. Hong, X. Xu, Q. Feng, D. Zhang, Y. Gu, J. Shi, S. Zhao, W. Liu, X. Wang, H. Xia, Z. Liu, B. Cui, P. Liang, L. Xi, J. Jin, X. Ying, X. Wang, X. Zhao, W. Li, H. Jia, Z. Lan, F. Li, R. Wang, Y. Sun, M. Yang, Y. Shen, Z. Jie, J. Li, X. Chen, H. Zhong, H. Xie, Y. Zhang, W. Gu, X. Deng, B. Shen, X. Xu, H. Yang, G. Xu, Y. Bi, S. Lai, J. Wang, L. Qi, L. Madsen, J. Wang, G. Ning, K. Kristiansen, and W. Wang, Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention. Nat Med, 2017. 23(7): p. 859-868.

撰稿：方丽华

编辑：市场部

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