多組學(xué)分析揭示肥胖與肥胖抵抗的奧秘

2022年9月30日，成都中醫(yī)藥大學(xué)丁維俊教授團(tuán)隊(duì)在《Lipids in Health and Disease》發(fā)表題為“Potential novel biomarkers in small intestine for obesity/obesity resistance revealed by multi-omics analysis”的研究論文，該研究運(yùn)用全長(zhǎng)16S測(cè)序技術(shù)、全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序和代謝組檢測(cè)，通過分析肥胖和肥胖抵抗小鼠模型中小腸菌群、代謝物和空腸轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了Clostridium_sensu_stricto_1、neuromedin N、腦啡肽 L、Pck1、5-羥基-L-色氨酸、Cxcl10 和肉桂醇可能是小腸中肥胖/肥胖抵抗的新型生物標(biāo)志物，在預(yù)防肥胖或治療肥胖患者具有重要意義。百邁客為該研究提供了ONT全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，全長(zhǎng)微生物多樣性測(cè)序、代謝組檢測(cè)和部分分析服務(wù)。

發(fā)表時(shí)間：2022.10.8

發(fā)表期刊：Lipids in Health and Disease

研究背景

在全球范圍內(nèi)，肥胖是一個(gè)日益嚴(yán)重的健康問題。其發(fā)病率逐年增加。肥胖會(huì)導(dǎo)致許多并發(fā)癥，包括心血管疾病、中風(fēng)、肝硬化和糖尿病。因此，新的預(yù)防性治療策略對(duì)于降低肥胖發(fā)病率至關(guān)重要。肥胖的原因包括多種原因，包括環(huán)境和遺傳因素。然而，個(gè)體似乎對(duì)肥胖表現(xiàn)出不同程度的易感性。高脂飲食有助于 C57BL/6 模型小鼠的肥胖或肥胖抵抗。盲腸或新鮮糞便中的微生物群和血液或尿液中的代謝物有助于肥胖抵抗；然而，小腸中的微生物群或代謝物尚未得到廣泛研究。因此，該研究旨在調(diào)查小腸中肥胖/肥胖抵抗的不同潛在新型生物標(biāo)志物。

技術(shù)路線

主要結(jié)果

1.肥胖/肥胖抵抗的主要指標(biāo)

高脂飼料喂養(yǎng)8周后，單籠飼養(yǎng)4周，高脂飲食誘發(fā)的肥胖組(HFDOP)小鼠體重和Lee‘s指數(shù)持續(xù)增加，而肥胖抵抗組(HFDOR)小鼠體重和Lee’s指數(shù)持續(xù)增加。然而，HFDOP和HFDOR小鼠的平均每日飼料和能量攝入量沒有顯著差異(圖1B、C)。高脂飲食組與高脂飲食組小鼠體重和Lee‘s指數(shù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。HFDOP組的空腹血糖水平高于HFDOR組和LFD組(圖1G)。HFDOP組的肝臟重量、總脂肪和總內(nèi)臟脂肪的重量顯著高于LFD組(圖1H-J).

然而，HFDOR組的肝臟、總脂肪和總內(nèi)臟脂肪的重量顯著低于HFDOP組(圖1H-J)。HFDOP組AST、ALT、HDL、LDL、TG和TC水平較LFD組顯著升高(圖3K-P)。然而，HFDOR組的AST、ALT、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白和甘油三酯水平顯著低于HFDOP組(圖3K-O)。盡管HFDOR組的TC水平低于HFDOP組，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.肥胖抵抗與抑郁無關(guān)

為了排除抑郁和焦慮樣行為對(duì)肥胖抵抗的影響，在16周結(jié)束時(shí)進(jìn)行了自發(fā)開場(chǎng)活動(dòng)實(shí)驗(yàn)和高架十字迷宮實(shí)驗(yàn)。開場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2A-C所示。HFDOP組進(jìn)入中心區(qū)域的次數(shù)和進(jìn)入該區(qū)域的次數(shù)顯著低于LFD組(圖2B、C)。HFDOR 組比 HFDOP 組更遠(yuǎn)地進(jìn)入中心區(qū)域并且更頻繁地進(jìn)入該區(qū)域(圖2B、C)。高架十字迷宮實(shí)驗(yàn)表明，與LFD組相比，HFDOP組進(jìn)入開臂的次數(shù)和頻率都要少得多(圖3E、F)。HFDOR組比HFDOP組開臂走得更遠(yuǎn)，但兩組之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。HFDOR組比HFDOP組更頻繁地進(jìn)入開臂(圖3F)。

3.肥胖/肥胖抵抗與小腸菌群和代謝產(chǎn)物有關(guān)

使用全長(zhǎng)16S微生物多樣性測(cè)序和非靶向代謝組學(xué)方法檢測(cè)了小腸內(nèi)容物。HFDOP組的Muribaculaceae、Faecalibaculum、Desulfovibrio和 Lachnospiraceae的相對(duì)豐度高于 LFD 和 HFDOR 組，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。LFD對(duì)照組和HFDOR組Clostridium和Lactobacillus的相對(duì)豐度高于 HFDOP 組，但只有梭狀芽胞桿菌水平的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

小腸內(nèi)容物非靶向代謝組學(xué)的結(jié)果如圖3C-E 所示，PLS-DA 分析表明 HFDOR 和 HFDOP 組之間的明顯分離（圖3C）。在小腸內(nèi)容物中共檢測(cè)到 314 種差異代謝物（圖3D）。相關(guān)性分析表明，Desulfovibrio、Bifidobacterium和Gemella都與 PC、DG 和膽酸葡糖苷酸呈正相關(guān)，而與維生素 A、dCMP、肉桂醇、5-HT 和肉桂酸葡糖苷酸呈負(fù)相關(guān)（圖3E）。Clostridium_sensu_stricto_1 和 Ralstonia 與維生素 A、dCMP、肉桂醇、5-HT、1 H-吲哚-3-乙酰胺和氫化肉桂酸呈正相關(guān)，與 PC、PE、TG、DG、neuromedin N、腦啡肽 L 和膽固醇葡糖苷酸呈負(fù)相關(guān)（圖 4）。

4.肥胖/肥胖抵抗力的小鼠在空腸中表現(xiàn)出不同的轉(zhuǎn)錄水平

為了進(jìn)一步探討肥胖/肥胖抵抗的原因，研究者運(yùn)用全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)檢測(cè)空腸組織中的基因轉(zhuǎn)錄水平。共鑒定出1645個(gè)差異表達(dá)基因(750個(gè)上調(diào)，895個(gè)下調(diào))，其中331個(gè)差異表達(dá)顯著。在331個(gè)顯著差異表達(dá)基因中中，有30個(gè)基因在11條KEGG通路中被富集。富集的基因和10條最豐富的KEGG途徑如圖所示，這些基因在絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、細(xì)胞因子和磷脂酰肌醇3’激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信號(hào)通路中顯著豐富(圖6C)。用qPCR分別驗(yàn)證了差異表達(dá)基因。Tgfb2、Spp1、Pck 1、Cxcl10和Epha7表現(xiàn)出一致的mRNA表達(dá)模式(圖6B，D-H)。

5.差異表達(dá)基因與代謝物或微生物群的相關(guān)性分析

進(jìn)一步進(jìn)行了DEGs和微生物的Spearman相關(guān)性分析。結(jié)果表明，esulfovibrio, Bifidobacterium和Gemella與CxCl10呈正相關(guān)，與SGK1、ANGPTL4和GDF15呈負(fù)相關(guān)。

Clostridium_sensu_stricto_1 和 Ralstonia 與 Igfbp6 和 Gdf15 呈正相關(guān)，與 Epha7、Pck1和Cxcl10 呈負(fù)相關(guān)。此外，Defa21和Defa22與uncultured_bacterium_f_Muribaculaceae呈負(fù)相關(guān)(圖7A)。DEGs與代謝物的相關(guān)分析結(jié)果表明，H-吲哚-3-乙酰胺與Igfbp6和Inhbb水平呈顯著正相關(guān)，與Epha7呈負(fù)相關(guān)。代謝產(chǎn)物5-羥色胺與SGK1呈顯著正相關(guān)。維生素A、肉桂醇和氫肉桂酸與GDF15呈顯著正相關(guān)，與CxCl10呈負(fù)相關(guān)。代謝產(chǎn)物PC、PE、TG、DG、腦啡肽L、NeuroMedin N、膽酸葡萄糖醛酸苷和膽固醇葡萄糖醛酸苷與CxCl10、Pck 1、Epha7和Tgfb2呈顯著正相關(guān)，與Inhbb、Igfbp6、S100a14、GDF15、ANGPTL4和SGK1呈負(fù)相關(guān)(圖7B)。

總結(jié)

綜上所述，腸道菌群、腸道代謝產(chǎn)物和腸道基因相互作用。腸道微生物群Clostridium、Desulfovibrio和Lachnospiraceae可直接作用于腸粘膜，其代謝產(chǎn)物5-羥色胺(5-HT)、腦啡肽L和神經(jīng)介素N可能調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)并將信號(hào)傳遞給大腦。因此，“微生物-腸道-大腦”軸可能與肥胖抵抗有關(guān)。此外，Cxcl10也是HFD誘導(dǎo)的ENS損傷的潛在靶點(diǎn)。未來預(yù)防和治療肥胖的目標(biāo)可能包括5-羥色胺、腦啡肽L和神經(jīng)介素N、肉桂醇和1H-吲哚-3-乙酰胺。益生菌補(bǔ)充劑，特別是梭狀芽孢桿菌，可能有助于治療肥胖患者或預(yù)防肥胖。

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