平日珍馐吃得爽，病时汤药难救场——“不健康”饮食促进耐药基因在肠道菌群中的传播
人体肠道是数万亿微生物和数千种细菌的家园，为肠道菌群提供适宜的环境和充足的营养。反过来宿主也利用肠道微生物调节自身，如生长代谢、免疫系统、病原体抑制、以及保持肠道屏障的完整性和内环境的平衡。
肠道微生物的组成和功能是如何被调节的呢？在肠道菌群的塑造过程中，饮食变化因素导致的差异的可占57%，相比之下基因改变导致的差异仅为12%，可见饮食在肠道菌群的形成中起主导作用。此外，肠道微生物群也极容易受到水平基因转移（HGT）的影响。环境中越来越普遍的抗生素抗性基因（ARG）正在通过HGT在肠道微生物中传播并对宿主健康造成威胁。例如KPC-1、NDM-1和mcr-1基因在肠道微生物中的传播严重正对健康造成严重威胁。
饮食作为肠道菌群的最主要影响因素，是否能够影响肠道微生物群中ARGs的扩增和转移呢？
为了探究这个问题，天津市环境与食品安全风险监控技术重点实验室在Gut Microbes上发表了题为“High-sugar, high-fat, and high-protein diets promote antibiotic resistance gene spreading in the mouse intestinal microbiota”的文章，证明了高糖、高脂肪、高蛋白饮食会促进小鼠肠道微生物群中外源性ARGs的扩增和转移。
文章发表于Gut Microbes上
01
饮食改变了
小鼠肠道微生物群的组成和代谢物
高糖、高脂肪和高蛋白饮食环境可以显著改变肠道微生物群的结构，并且每种饮食环境都有自己的分布模式（图1a）。PCoA显示，部分高糖高脂饮食群落样本重合，高糖、高脂、高蛋白饮食均与正常饮食存在差异（图1b ）。LEfSe分析中，细菌生物标志物存在显着差异（图1c）。与正常饮食相比，高糖、高脂肪和高蛋白饮食显著改变了肠道菌群，新的饮食模式会形成不同以往的肠道菌群。
代谢物的PCoA揭示了高糖、高脂肪和高蛋白饮食的代谢物与对照组之间的显着差异（图1d-e）。此外，这些饮食条件可能损害肠粘膜屏障。在高糖环境中，炎症代谢物显著升高（图1f）。
图1 不同饮食（高糖、高脂肪、高蛋白与正常饮食组）条件下肠道微生物群及其代谢物
02
饮食影响了
肠道内ARG扩增和转移的时空分布
在不同饮食饲喂的三个阶段（上升、下降和稳定，图2a）中，高糖、高脂肪和高蛋白饮食可以促进外源性ARGs在肠道内的扩增和转移。高脂饮食的促进作用最强且持续时间最长，其次是高糖饮食和高蛋白饮食。在三个阶段的基因表达方面，trfAp和trbBp被检测：高糖、高脂肪和高蛋白饮食组的trfAp和trbBp表达高于对照（图2e-f）。这表明，不同饮食条件对ARGs的结合和转移的影响可能由于基因表达的调控。在空间分布方面，高糖、高脂、高蛋白饮食可以促进外源性ARGs在所有肠段的扩增和转移，其中盲肠可能是ARGs扩增和转移的主要部位（图2g）。此外，Pearson相关分析表明，外源性ARGs水平与炎症标志物显着相关，包括血清免疫因子、炎症相关代谢物和炎症相关细菌（图2h-k）。这些饮食也会饮食诱导的炎症微环境下细菌结构和功能的变化（图2l-n）。
图2 不同饮食条件下ARGs的分布和机制
03
饮食影响了
肠道微生物群的抗性基因组
基于添加和未添加外源抗生素耐药菌（ARB）的每个饮食组中ARGs丰度的Anosim分析, 高糖、高脂肪和高蛋白组与正常组有显著差异，这表明不同的饮食影响肠道抗性基因组。其中，高糖饮食的效果最为显著（图3a）。基于不同的饮食处理，外源ARB也可能会影响肠道抗性基因组，其中，高糖、高脂、高蛋白组加入外源ARB后肠道抗性基因数量明显增加（图3b-c）。每组抗生素耐药本体（ARO）的前30个ARO基因的分布情况可以根据丰度簇热图得到，具体结果展示在图3d中。此外，在无论有没有外源性ARB的不同饮食条件下，抗性基因在肠道微生物群都可能存在，并且不受外部因素的影响。一些特定的ARGs的丰度会随着不同饮食的摄入而增加，这意味着饮食可以塑造肠道抗生素耐药基因组。在不同的饮食环境，外源ARB可以进一步塑造肠道抗生素抗性基因组（图3e）。各组中抗性基因分布的物种可以由抗性基因与物种关系的双圆图得到（图3f）。一些细节性的规律可以从图3g-j中发现。
图3 不同饮食组的肠道耐药基因注释
04
不同饮食组肠道ARGs与细菌的相关性
添加ARB前后各饮食组肠道菌群的PCA分析表明，饮食对肠道菌群的影响明显大于外源性细菌（图4a）。此外，添加ARB前后饮食组间肠道菌群在门水平上的分布存在显著差异（图4b）。在添加ARB前后前30种细菌在属水平上的分布的进一步分析中，不同饮食组别中的细菌分布有所不同（图5c）。作者分析了每个饮食组中不同细菌的ARGs数量，结果是拟杆菌属、梭菌属、丹毒梭菌属和肠球菌属拥有更多的ARG（图5d）。
ARGs的数量取决于肠道内宿主菌的比例；不同饮食中的优势细菌可能是ARG的主要目的；在每个饮食组中添加ARB后，具有高丰度ARG的细菌显著增加；因此，外源性ARB的入侵会破坏原有细菌的分布（图4e）。这些结果表明，通过饮食发生改变的细菌可能是肠道中大多数ARGs的主要目标。
图4 抗性基因与相应物种的关系
科技君点睛
作者团队使用宏基因组测序、代谢组学等技术，使用高糖、高脂、高蛋白、空白对照四种不同的饮食环境完成造模进行了小鼠的体内实验。为了探究这三种的饮食环境是否会影响抗生素耐药基因在肠道微生物中传播。研究团队发现高糖、高脂、高蛋白饮食影响的微环境可能有利于ARGs的传播。ARGs的转移对特定的受体细菌表现出一定的选择性，并且往往涉及转移到给定饮食环境中的优势细菌。此外，根据饮食，外源性ARGs还可能改变肠道的宏基因组学和抗性基因组，对健康构成严重威胁。
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参考文献：
Tan R, Jin M, Shao Y, et al. High-sugar, high-fat, and high-protein diets promote antibiotic resistance gene spreading in the mouse intestinal microbiota[J]. Gut microbes, 2022, 14(1): 2022442.
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