人蔘調節糞腸球菌-肉豆蔻油酸-BAT軸的抗肥胖作用機制

原創 麥特繪譜 麥特繪譜 2019-12-26

肥胖已成為全球流行病之一，它會增加胰島素抵抗、2型糖尿病、脂肪肝、心血管疾病和某些癌症等疾病的風險。肥胖是一種慢性疾病，由遺傳因素、生活方式、飲食、腸道菌群、能量代謝失衡等多種因素造成。由於攝入的能量比消耗的能量多，導致白色脂肪組織(WAT)以甘油三酯的形式儲存過多的能量從而引起肥胖。目前主要的減肥策略是限制能量的攝取和吸收，然而並沒有很好的解決肥胖的發病現狀。已有研究表明，褐色脂肪組織(BAT)有助於控制體重、促進健康並具有抗肥胖作用。因此，增加BAT活性可能是防治肥胖及其相關疾病的一種新穎有效的治療方法。

大多數研究表明膳食纖維對能量代謝的有益影響主要集中在腸道微生物群產生的短鏈脂肪酸（SCFAs），而針對長鏈脂肪酸(LCFAs，含有14-20個碳的飽和或不飽和脂肪酸)對宿主代謝的影響方面的研究甚少。已有報道中藥(如靈芝)可以通過增加益生菌和減少致病菌來調節腸道菌群的組成，從而防止肥胖等疾病的發生和發展。中科院動物所金萬洙團隊和延邊大學全林虎研究團隊立足於長白山道地藥材--人參，探討

GE激活BAT提高能量代謝降低肥胖

本研究對腸道菌群和BAT介導的GE抗肥胖作用進行評估。相比對照組，正常db/db小鼠口服GE（10 mg/ kg/d）8周後體重增加明顯減少(圖1A)，全身脂肪百分比下降11%(圖1B)，附睪脂肪器官重量明顯下降(圖1C)，而BAT、皮下脂肪(Sub)、肝臟器官重量未見明顯變化(圖1C)。結果表明，GE處理顯著降低了db/ db小鼠的體重和肥胖程度。肥胖症常伴隨著能量平衡的改變，作者通過間接量熱法分析GE處理是否會影響能量代謝。與對照組相比，GE處理顯著增加了能量消耗(圖1D)，而在食物攝取量、能量攝取量、體力活動、呼吸交換比(RER)、未被吸收的能量方面兩組則沒有顯著差異。能量平衡的結果提示GE的抗肥胖作用是由於能量消耗增加，而不是由於食物攝入量減少或體力活動增加發揮作用。

當動物暴露於寒冷環境(4℃, 4h)時，GE處理促使核心體溫顯著升高(圖1E, F)。GE還可改善葡萄糖穩態、胰島素敏感性、逆轉肝臟脂肪變性。這些結果表明GE處理能夠改善肥胖小鼠的能量穩態。可部分歸因於BAT的產熱活性提高（圖1G）和解偶聯蛋白1（UCP1）的表達增加，通過BAT和Sub中的解偶聯過程和OXPHOS表達而產生熱量（圖1H, I）。BAT是一種生熱器官，對維持核心體溫至關重要，其生熱活性在熱中性時受到抑制。然而，GE處理並不影響熱中性體重增加。這一結果證明GE的抗肥胖作用依賴於BAT活性。綜上所述，

GE處理誘導糞腸球菌富集

已有研究表明人參皂苷可以通過腸道菌群的作用而脫糖，由此作者推測腸道菌群是否可以在GE處理的小鼠中發揮抗肥胖作用。作者通過16S rDNA測序分析糞便樣本中菌群多樣性。GE處理的小鼠菌群α多樣性（ACE, Chao 1, Shannon指數和Simpson指數）顯著低於對照組小鼠。主成分分析顯示兩組菌群具有明顯差異性(圖2A)。但經GE處理後，門水平的比例丰度（尤其是厚壁菌門和擬桿菌門）無顯著差異。在db/ db小鼠中，GE顯著改變了35個OTU。有趣的是，糞腸球菌在科-屬-種水平上顯著富集(圖2B-D)，結果表明GE誘導腸道菌群的組成顯著改變，且糞腸球菌顯著富集(圖2E)。

糞腸球菌能減少肥胖

糞腸球菌是革蘭氏陽性細菌，隸屬於乳酸桿菌目。糞腸球菌是健康人體胃腸道常見補體，也是醫院獲得性感染的重要因素。為了研究糞腸球菌在肥胖中的作用，以高脂飲食小鼠為模型，結果發現，糞腸球菌移植小鼠體重顯著增加，脂肪顯著減少(圖3A, B)。糞腸球菌處理是否會影響能量代謝？當動物暴露於寒冷環境時，糞腸球菌處理顯著提高了核心體溫(圖3C, D)。與對照小鼠相比，糞腸球菌處理的小鼠能量消耗顯著增加（圖3E），組織學結果顯示糞腸球菌處理小鼠BAT中脂滴大小顯著縮小（圖3F），小鼠的BAT和亞脂肪組織中UCP1和OXPHOS蛋白表達顯著上調（圖3G, H）。這表明糞腸球菌處理可以改善葡萄糖穩態並逆轉肝臟脂肪變性。而且，上述有益影響與食物攝入量、體力活動或RER的差異無關，糞腸球菌處理不會影響熱中性時體重的增加。總之，糞腸球菌通過激活BAT和米色脂肪形成而增加能量消耗進而降低肥胖。

補充肉豆蔻油酸可降低肥胖

糞腸球菌是否通過腸道微生物發酵過程中產生的代謝產物從而影響宿主能量代謝呢？據報道UCP1可被LCFA激活，LCFA作為永久附著於UCP1的底物，可促進H+從線粒體內膜向外膜轉移，那麼糞腸球菌移植是否能改變血清LCFAs？本研究對血清LCFAs進行非靶向代謝組學分析，發現糞腸球菌灌胃顯著改變多種LCFAs(圖4A)。為了鑑定糞腸球菌處理後哪些LCFA發生了特定變化，作者對有和沒有糞腸球菌處理的培養基中LCFA含量進行比較，結果發現糞腸球菌處理後肉豆蔻油酸（MA）含量非常高(C14:1)，最高達到未處理的12.3倍(圖4B)。此外，十九烷酸（C19:0）和亞油酸（C18:2）出現一定程度的顯著積累（分別是未經處理組的5.9和4.3倍），但其他LCFAs變化較少 (圖4B)，提示糞腸球菌可能參與脂肪酸代謝。

進一步研究LCFAs對BAT活性的潛在影響，對初生棕色脂肪細胞進行了各種LCFAs處理，並對細胞耗氧量進行評估，結果表明MA顯著上調耗氧量(圖4C)，增加了UCP1的表達，提示MA可能增加了BAT活性。熒光素酶活性顯示，內源性UCP1表達的轉基因小鼠經MA處理後，熒光素酶活性顯著增加，提示MA對肥胖具有潛在療效。為了驗證上述假設，db/db小鼠灌胃MA，MA通過增加BAT產熱和全身能量代謝顯著改善了小鼠體重的增加(圖4D)和肥胖(圖4E-G)，同時發現MA激活BAT(圖4H,I)誘導米色脂肪形成(圖4J)，逆轉肝臟脂肪變性。這些有益的影響與食物攝入量、體力活動或RER並無顯著的相關性。

由於UCP1 敲除小鼠的BAT活性降低，作者使用UCP1 敲除小鼠來進一步驗證MA對BAT的抗肥胖作用。結果發現，在野生型（WT）小鼠中，MA能夠改善HFD誘導的體重增加，但UCP1敲除小鼠中，MA處理未見改善。在野生型（WT）小鼠中，MA可以增加BAT的產熱和改善HFD條件下的葡萄糖穩態（由於體溫過低，未在UCP1敲除小鼠上進行這一實驗）。同時，WT小鼠能量消耗呈現增加趨勢，而UCP1 敲除小鼠的能量消耗未見增加；在野生型（WT）小鼠中，MA可以改善BAT肥大，逆轉肝臟脂肪變性，但UCP1敲除小鼠中，MA處理未見改善。WT小鼠經MA處理後，UCP1蛋白表達顯著上調。這些有益的影響並不是通過食物攝入或身體活動來調節的。MA處理並不會影響熱中性時體重的增加。綜上，糞腸球菌產生的MA通過增加BAT活性和全身代謝來減少肥胖。

減少糞腸球菌產生MA可削弱抗肥胖作用

已有研究表明Acyl-CoA硫酯酶（ACOTs）能催化羰基和硫原子之間的硫酯鍵水解產生脂肪酸和CoA(圖5A)。為了闡明糞腸球菌如何參與MA產生，作者利用Crispr-dCas9技術構建ACOT基因敲除(KD)和WT糞腸球菌株(圖5B)，並在De Man, Rogosa+Sharpe (MRS)培養基中培養WT和KD E. faecalis菌株，對LCFAs進行非靶向代謝組學分析。發現WT菌株始終能夠誘導MA的積累，而ACOT KD菌株誘導的MA積累量少於WT菌株(圖5C)。與WT E. faecalis菌株相比，ACOT KD E. faecalis對其他LCFAs或SCFAs的影響不顯著。表明MA的產生部分由ACOT介導。

為了研究轉基因的糞腸球菌菌株對UCP1活性的影響，作者採用多種小鼠模型進行驗證。研究發現WT糞腸球菌可以減少HFD小鼠的肥胖（圖5D，E），也能夠增加冷誘導的生熱作用（圖5G）和能量消耗（圖5F），而KD糞腸球菌則不能，食物攝入量亦無顯著變化。在UCP1熒光素酶轉基因小鼠模型中，WT菌株中的內源UCP1活性顯著上調，但糞便中的KD糞腸球菌處理則未見顯著上調（圖5H-I）。為了避免腸道菌群之間的種間串擾，對小鼠進行ABX預處理，發現WT可增加BAT活性和冷誘導的生熱作用，而KD株處理的db/db小鼠則不能。這些結果清楚地說明ACOT基因在MA生物合成中的重要作用，糞腸球菌通過ACOT基因促進MA的產生。

小結

本研究通過腸道微生物組和血清代謝組，發現GE處理後糞腸球菌在科-屬-種水平上顯著富集，糞腸球菌富集可誘導生成肉豆蔻油酸(MA)，從而發揮抗肥胖作用。同時揭示了糞腸球菌通過ACOT基因促進MA的產生，敲除ACOT基因大大降低了MA的產生，從而闡明GE - E. faecalis - LCFA(尤其是MA)軸通過增加BAT活性和米色脂肪的形成發揮顯著的抗肥胖作用。BAT作為一種耗能器官受到廣泛關注，增加BAT數量和活動來增加能量消耗或將成為治療肥胖和代謝性疾病的有效策略。糞腸球菌處理後SCFAs表現出極小的差異甚至於沒有差異，而LCFA (MA)的產量明顯提高，提示糞腸球菌是一種新型的抗肥胖益生菌，MA是糞腸球菌中新發現的代謝產物，在治療諸如肥胖等代謝綜合徵疾病方面具有巨大的潛力。

參考文獻

LinHu Quan, Wanzhu Jin, et al. Myristoleic acid produced by enterococci reduces obesity through brown adipose tissue activation. Gut 2019; 0:1-9. DOI: 10.1136/gutjnl-2019-319114.

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