在過去的幾十年中，許多小鼠模型已被用于研究腸道微生物群及其與宿主的關(guān)系。先前的研究表明，腸道菌群有助于食物消化，從而使宿主獲得不易消化的營養(yǎng)素，同時(shí)在宿主免疫、生理、代謝等方面也具有重要作用。到目前為止，僅有部分研究報(bào)道了腸道微生物對(duì)宿主脂代謝的影響，主要對(duì)轉(zhuǎn)錄表達(dá)譜和某些挑選的脂質(zhì)分子的豐度進(jìn)行分析，缺乏系統(tǒng)的研究。此外，一些報(bào)告的發(fā)現(xiàn)還是互相矛盾的。
近期《NatureCommunications》上發(fā)表了一篇轉(zhuǎn)錄組學(xué)+蛋白質(zhì)組學(xué)+磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)+脂質(zhì)組學(xué)+16S rRNA基因測序的多組學(xué)研究，揭示了腸道微生物對(duì)肝臟脂質(zhì)代謝的影響。小編迫不及待的要跟各位老師分享。
Nature Communications 12.353
研究結(jié)果
1. 轉(zhuǎn)錄組與蛋白組聯(lián)合分析
作者對(duì)無菌小鼠模型（GF）和無特定病原體小鼠模型（SPF）的肝臟樣本進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析。
轉(zhuǎn)錄組學(xué)：總共分析了41174個(gè)探針，其中32308個(gè)可以定位到轉(zhuǎn)錄本，7769個(gè)探針顯著差異表達(dá)（3937個(gè)基因）。通路富集分析揭示多個(gè)代謝通路在GF小鼠中顯著富集，如藥物代謝、脂質(zhì)代謝。
蛋白質(zhì)組學(xué)：共鑒定到5875個(gè)蛋白質(zhì)，455個(gè)蛋白顯著差異表達(dá)。KEGG通路分析顯示差異表達(dá)的蛋白在亞油酸代謝、視黃醇代謝代謝等通路富集。
轉(zhuǎn)錄+蛋白聯(lián)合分析：使用基因名稱合并蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，以便識(shí)別在兩個(gè)組學(xué)層中上調(diào)或下調(diào)的基因。兩次組學(xué)同時(shí)鑒定到4843個(gè)基因，其中2822個(gè)基因（約58％）在GF和SPF共表達(dá)趨勢一致，984個(gè)基因在SPF中持續(xù)高表達(dá)，1,838個(gè)基因在GF中持續(xù)高表達(dá)。蛋白質(zhì)組和轉(zhuǎn)錄組基因功能富集分析顯示SPF小鼠中上調(diào)的基因富集的8個(gè)GO生物過程中有5個(gè)參與脂質(zhì)代謝。作者發(fā)現(xiàn)，影響脂質(zhì)代謝的關(guān)鍵酶，如ACLY、FASN、SCD1和ELOVL6，在轉(zhuǎn)錄組與蛋白質(zhì)組中均存在差異表達(dá)。
2. 磷酸化蛋白質(zhì)組分析
蛋白質(zhì)磷酸化在酶的活化和失活中起重要作用。作者同時(shí)對(duì)GF和SPF小鼠的肝臟樣品進(jìn)行磷酸化蛋白質(zhì)組分析。共鑒定到了5558個(gè)磷酸化肽段，其中1551個(gè)磷酸肽段，還可以檢測到相應(yīng)的蛋白質(zhì)，1527個(gè)磷酸肽段在轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組和磷酸化蛋白質(zhì)組共同檢測到。作者研究發(fā)現(xiàn)363種蛋白質(zhì)在GF和SPF之間具有顯著差異的磷酸化水平，其中，8種蛋白（ACOT1、FASN、GPAM、LPIN1 / 2、PGRMC2、PLIN3和SLCO1A4）參與到了脂質(zhì)代謝。使用Uniprot KB標(biāo)識(shí)符聯(lián)合蛋白組學(xué)和磷酸化蛋白組學(xué)數(shù)據(jù)，作者鑒定到24個(gè)唯一蛋白，在蛋白表達(dá)量和磷酸化水平均具有顯著差異的。
3. 脂質(zhì)組學(xué)分析
作者對(duì)GF和SPF小鼠的血漿與肝臟樣本進(jìn)行了脂質(zhì)組學(xué)分析。在鑒定到的525個(gè)脂質(zhì)分子。肝臟中16種脂質(zhì)分子和血漿中的15種脂質(zhì)分子在GF和和SPF小鼠之間差異顯著。最重要的是，作者發(fā)現(xiàn)SPF和GF小鼠之間存在從單不飽和脂質(zhì)向多不飽和脂質(zhì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的趨勢。SPF小鼠中的棕櫚油酸和含有單不飽和酰基鏈的甘油磷脂含量高出1.5倍，而在GF小鼠中，多不飽和脂肪酸和甘油磷脂的含量較高。
磷脂酰膽堿（PC，37％）、磷脂酰乙醇胺（PE，19％）、游離膽固醇（FC，11％）是肝臟中的主要脂質(zhì)類別，鞘脂僅占肝臟脂質(zhì)的一小部分，約占2%，不受腸道微生物的影響。血漿脂質(zhì)則以磷脂酰膽堿（PC，27％）、膽固醇酯（CE，54％）和游離膽固醇（FC，10％）為主。肝臟和血漿中每種脂質(zhì)亞類的總濃度沒有差異。
總而言之，上述數(shù)據(jù)表明腸道微生物群影響肝臟和血漿中特定的脂肪酸和甘油磷脂分子。含有腸道微生物群的小鼠會(huì)較高比例的含有單不飽和脂肪酸（MUFA），而GF小鼠以脂質(zhì)飽和脂肪酸（SAFA）和多不飽和脂肪酸（PUFA）為主。
4. 組學(xué)數(shù)據(jù)重建脂代謝途徑
作者根據(jù)組學(xué)數(shù)據(jù)重建了脂肪酸代謝途徑，并對(duì)肝臟脂質(zhì)代謝過程進(jìn)行了系統(tǒng)的描述。作者在3個(gè)特定的脂肪酸轉(zhuǎn)化步驟中觀察到GF和SPF小鼠之間的顯著差異：（I）ACAC A / B和FASN參與的乙酰-CoA從頭合成脂肪酸的過程; （II）SCD1參與的棕櫚酸酯（FA16:0）去飽和為棕櫚油酸酯（FA16:1 n-7）過程; （III）ELOVL5參與的FA18:3 n-6延伸至FA20:3 n-6的過程。為了支持（II）和（III），作者將脂肪酸產(chǎn)物/前體比率與相應(yīng)的mRNA或蛋白質(zhì)豐度相關(guān)聯(lián)。結(jié)果顯示SCD1表達(dá)量與16：1 n -7 / FA16：0比率、ELOVL5表達(dá)量與20：3 n-6/18：3 n -6的比率均強(qiáng)相關(guān)。
此外，作者還發(fā)現(xiàn)脂肪酸產(chǎn)物/前體水平的比值與PC和LPC脂質(zhì)分子對(duì)應(yīng)的去飽和度和鏈伸長指數(shù)高度相關(guān)，表明FA代謝過程的改變清楚地反映在甘油酯的酰基表達(dá)譜中。
5. 基于脂肪酸表達(dá)譜的綜合分類得分
為提供更多的腸道微生物特異性調(diào)節(jié)脂代謝過程的證據(jù)，作者對(duì)SPF的腸道微生態(tài)進(jìn)行短期的抗生素處理（氨芐青霉素（A）、萬古霉素（V）、甲硝唑（M）、或萬古霉素（V）和甲硝唑（M）的組合），并對(duì)肝臟的脂肪酸進(jìn)行了檢測。
作者發(fā)現(xiàn)FA 16:0、FA 20:3 n-6、FA20:4 n-6和FA 22:6 n-3幾種脂肪酸的組合不但能夠清楚地將GF與SPF小鼠區(qū)分開，也可將不同抗生素處理與未處理的小鼠區(qū)分開。Scd1和Elovl5的mRNA表達(dá)水平在低評(píng)分樣本有低表達(dá)水平。這些結(jié)果表明腸道微生物群影響脂肪酸代謝，特別是由SCD1和ELOVL5產(chǎn)生的脂肪酸。
6. 腸道微生物組成分析
為了確定抗生素對(duì)腸道微生物群多樣性和組成的影響，作者進(jìn)行了16S rRNA基因測序分析。結(jié)果表明所有抗生素均影響α多樣性，與單獨(dú)的M相比，V和VM的組合具有特別顯著的影響，β多樣性分析揭示了V和VM樣品與對(duì)照組能夠明顯區(qū)分，但是彼此間區(qū)分并不明顯。對(duì)比M，V幾乎完全消滅了擬桿菌（樣品V1除外），并且桿菌僅存在于用V處理的小鼠中。受抗生素影響最大的OTU是OTU-32（厚壁菌），OTU-15（厚壁菌）和OTU-9（擬桿菌）。
7. 乙酸是肝臟脂質(zhì)合成的前體
厚壁菌和擬桿菌能夠?qū)⑸攀扯嗵菑睦w維降解為短鏈脂肪酸（SCFA），包括醋酸鹽（FA 2：0），通過門靜脈到達(dá)肝臟。為了弄清楚源自腸腔的FA 2：0是否是肝臟中長鏈脂肪酸合成的前體，對(duì)小鼠用不同濃度的13C標(biāo)記的FA 2：0進(jìn)行了口服灌胃實(shí)驗(yàn)。4小時(shí)之后對(duì)肝臟和血漿中FA16：0進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明口服13C-FA 2：0之后，肝臟和血漿中FA 16：0的同位素M2-M6豐度以劑量依賴性方式明顯增強(qiáng)，單同位素M0減少。并且新合成的FA16：0的比例從4％增加至30％，表明腸源性乙酸能夠刺激肝臟FA從頭合成。
為了證明GF和定殖小鼠的脂質(zhì)譜的差異，特別是改變的MUFA可能與腸道中微生物FA 2：0的產(chǎn)生有關(guān)。SPF小鼠接受2天萬古霉素和甲硝唑（VM）組合處理后（TP2），然后飼喂不含抗生素的常規(guī)飼料2天（TP4）或10天（TP14）?？股靥幚硪鹆宋⑸锝M成和多樣性下降，厚壁菌和擬桿菌幾乎被完全消除，門靜脈FA 2：0濃度減少兩倍。去除抗生素（TP4和TP14）后，腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，達(dá)到基線FA 2：0水平（TP0）。重要的是，肝臟和血漿MUFA（16：1 n-7，F(xiàn)A 18：1 n-9,18：1 n-7），MUPC（PC 34：1，PC 36：1）和PUFA（20：3 n-6,22：6 n-3）水平的變化也遵循這一趨勢。這些結(jié)果表明肝臟和血漿FA水平與腸道微生物SCFA產(chǎn)生菌和門靜脈血液FA 2：0水平的直接關(guān)系。
為了證明肝臟MUFA的合成依賴于腸道微生物對(duì)膳食纖維的降解，GF和SPF小鼠飲食中的粗纖維被5％精制的纖維素代替。精制的纖維素實(shí)際上是不可降解的，導(dǎo)致門靜脈血液中SCFA水平顯著降低。與喂食常規(guī)飼料的小鼠相反，喂食含有纖維素的GF和SPF小鼠的血漿和肝臟FA曲線沒有顯著差異。這些結(jié)果證實(shí)，在SPF小鼠中觀察到的脂質(zhì)代謝差異，特別是MUFA的產(chǎn)生，依賴于可降解的纖維來源。SPF小鼠喂食含有14％纖維的對(duì)照飲食，含有更高水平的MUFA，但是與喂食具有5％纖維的飲食相比，PUFA含量更低。總之，這些數(shù)據(jù)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，即腸道微生物通過合成C16和C18脂肪酸的前體物質(zhì)乙酸（FA 2：0）來促進(jìn)肝臟FA代謝。
結(jié)論
作者的研究證實(shí)了腸道微生物的定殖能夠促進(jìn)肝臟FA代謝，這也反映在甘油磷脂分子的?；兓小８闻K長鏈FA的重要前體是腸道微生物降解膳食纖維產(chǎn)生的FA2:0(乙酸)。腸道微生物的定殖驅(qū)動(dòng)宿主脂質(zhì)代謝改變，可能不僅影響生物物理膜特性，還影響信號(hào)過程，例如類花生酸生成，因此影響宿主生理學(xué)以及炎癥和代謝性疾病的生成有關(guān)。
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