调整肠道微生物的饮食结构有助于缓解儿童遗传和单纯性肥胖

文献简介

原标题：Dietary Modulation of Gut Microbiota Contributes to Alleviation of Both Genetic and Simple Obesity in Children
译名：调整肠道微生物的饮食结构有助于缓解儿童遗传和单纯性肥胖
期刊：EbioMedicine
影响因子：6.183
通讯作者：赵立平
研究领域：「微生物分子生态学与生态基因组学；人体系统生物学」
通讯地址：微生物代谢国家重点实验室；系统医学教育部重点实验室；上海交通大学

文献导读

小胖威利综合征Prader-Willi syndrome (PWS) 是一种15号染色体异常的疾病。约有百分之七十的患者是由于来自父亲的十五号（15q11.2–q13）染色体有缺失，发生率约1/15,000。
越来越多的证据表明，肠道菌群失调可能是导致饮食相关肥胖的一个重要因素。
有趣的是，肠道微生物甚至可能参与小鼠的遗传性肥胖。研究发现用广谱抗生素去除大部分肠道微生物后可以有效地减少遗传性肥胖小鼠的肥胖表型和胰岛素抵抗的发生，包括瘦素缺乏的ob / ob小鼠和toll样受体5敲除小鼠。
这些结果意味着通过肠道微生物介导的与肥胖相关的代谢疾病的途径，和饮食相关及遗传易感肥胖导致的过程是相似的。

文献摘要

肠道微生物是驱动饮食相关肥胖的一个关键因素; 但是，在人类遗传性肥胖如Prader-Willi综合征（PWS）中的作用仍然不是很清楚；
这篇文章对17名PWS和21名单纯性肥胖患者（simple obesity, OS）进行了干预实验，采用的方式是吃富含非消化性碳水化合物科学配比饮食；结果发现肠道菌群结构、体重显著发生改变，血清抗原负荷和肠道炎症显著得到缓解。

技术路线

主要结果

饮食结构的转变可以缓解遗传性和单纯性肥胖
用whole-grains, traditional Chinese medicinal foods andprebiotics（WTP）饮食干预PWS和OS病人30天，PWS另外特殊原因又继续饮食干预了60天。经过饮食结构的一个大幅度调整，作者发现几乎所有的与临床相关的指标都得到的显著的改善。

如图2所示，可以看到不管是PWS还是OS患者体重都显著减少，而且PWS患者体重随着时间点的迁移而逐渐下降。其它指标如BMI指数，天冬氨酸转氨酶（AST）和丙氨酸转氨酶（ALT）水平下降（表明肝脏情况转好）；血糖稳态（空腹血糖、口服葡萄糖耐受葡萄糖AUC线下面积、空腹胰岛素血症、口服葡萄糖耐受胰岛素AUC线下面积、糖化血红蛋白）显著改善；血液总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白降低；另外一些炎症指标如C-反应蛋白、血清淀粉样蛋白A、α-acid糖蛋白及白细胞计数降低，一些抗炎因子如脂联素显著升高，另外脂多糖结合蛋白LPB显著降低，表明细菌抗原负荷得到改善。
肠道菌群群落结构的改变
通过宏基因组meta测序数据分析得到2,077,766个基因。这两百多万个基因通过聚类分析得到约28,072个共丰度基因集(co-abundance gene group, CAG)。筛选CAG中的基因数目>700的CAG，得到376个CAGs，然后进一步过滤掉在样品中丰度为0的比例超过80%的CAG，此时剩下的161个CAG用于后续的生信分析。

PCA分析显示，经过30天的饮食干预之后，两组患者的肠道菌群结构均有显著的改变（Fig.3a-b）。
微生物组相互作用网络分析
通过Ward-聚类结合排列多元方差分析将176个CAG聚成基因组相互作用集（genome interaction groups, GIGs）（Fig.3c）。结合GIGs的PCoA分析和生物临床参数指标的PCA分析的普氏分析(Procrustes analysis)发现不管是基于GIG的微生物集合水平还是从生物临床参数指标来看干预前后均发生显著的改变，表明GIGs的改变和宿主代谢健康的改善显著相关（Fig.3d）。
从GIGs水平来看，发现有6个GIGs，包括注释到Prevotella copri 的GIG13，其丰度在干预前后没有发生显著的改变；而GIG1,3,4的丰度显著增加了；另外，GIG7, 8, 11, 12, 14, 15, 16, 17 和18显著降低。值得注意的是，GIG3是在干预后丰度增加的最明显的，而且该GIG的代表性菌为双歧杆菌。
肠道菌群的功能改变
通过HUMAnN软件分析了肠道菌群结构的改变是否会导致其潜在的代谢功能的一个转变。通过对鉴定到的5,234个KEGG基因条目做PCA分析发现饮食干预前面同样使得功能通路发生改变（Fig.4a-b），说明由饮食诱导的肠道菌群结构的改变导致其代谢潜能发生改变。

LefSe分析发现67个KEGG代谢通路在饮食干预前面差异显著，其中分别有41和26个KEGG pathways在干预前面显著提高和降低。干预后显著富集的通路有碳水化合物代谢（包括淀粉和蔗糖代谢，氨基糖和核苷酸糖代谢），干预后显著降低的通路有脂肪和蛋白质代谢（脂肪酸合成，苯丙氨酸代谢，色氨酸代谢）。除此之外，脂多糖生物合成，肽聚糖生物合成及鞭毛组装途径也降低了。
碳水化合物饮食诱导肠道代谢类型的转变
因为WTP饮食中的非消化碳水化合物的比例增加了，因此这些膳食成分会进入结肠使得该位置的肠道菌群转变为发酵代谢类型。通过PCA和正交PLS-DA分析粪便代谢组发现在干预前后不管是PWS还是SO的代谢组组成(不同采样时间点)均发生了显著的改变。发生改变的代谢物主要是由肠道菌群产生的。值得一提的是，乙酸在干预后显著提高了，异丁酸和异戊酸降低，**表明饮食干预后肠道菌群从蛋白质发酵转为了碳水化合物发酵。**包括氧化三甲胺和细胞毒性物质的产生都显著减少了。
另外，通过比对CAZy（碳水化合物数据库）分析发现有84,549个基因注释到299个CAZy家族，并且在干预前后具有显著差异，表明肠道微生物组的碳水化合物代谢的基因发生了改变。
肠道菌群和宿主之间的代谢相互作用机制
通过NMR（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振）方法分析患者尿液代谢组组成。同前面的粪便代谢组分析结果类似，即尿液代谢组PCA分析和正交-PLSDA分析均发现饮食干预前后代谢组组成发生了显著的改变（Fig.5）。

总共发现有13个代谢物在干预前后丰度发生了显著的改变。有趣的是发现了4个代谢物是宿主和肠道菌群共代谢的，并且在饮食干预后丰度都降低了，如TMAO（氧化三甲胺），indoxyl sulfate（硫酸吲哚酚），phenylacetylglutamine（苯乙酰谷氨酰胺），hippurate（马尿酸盐）（Fig.5-d）。TMAO的减少伴随着尿液中二甲基甘氨酸的升高，说明WTP饮食中的脂肪来源的胆碱被宿主吸收和代谢了，从而使得菌群参与产生的TMA减少了，使得代谢改善（Fig.5c-d）。
接着，376个菌群的CAGs和尿液代谢组之间的共惯量分析（Co-inertia analysis）表明他们之间是一种共同变化的过程（Fig.6a）。相关性分析发现与CAG相关的代谢物都是显著收到饮食干预调控的那些（Fig.6b），如前面提到的硫酸吲哚酚与来自于GIG7和 18的CAG相关，且发现注释到的大部分是拟杆菌和Alistipes .spp，这些菌含有色氨酸酶基因（Fig.6c），将色氨酸转为吲哚的那一步。除此之外，还有与代谢物相关的CAG注释到Ruminococcus spp., Parabacteroides spp. and Bacteroides
Spp。这些菌报道含有编码胆碱 TMA裂解酶和胆碱 TMA裂解酶激酶，其实胆碱代谢的关键酶 (Fig. 6d)。
粪菌移植
作者为了比较干预前后肠道菌群诱导代谢恶化的能力，通过将一名PWS志愿者（暂且命名为GD58）干预前后采集的粪便移植到C57BL/6J小鼠。移植后小鼠体重变化如图7a所示（Fig.7a）。试验结束后，发现移植了干预前GD58粪便的小鼠脂肪含量显著升高（Fig.7b）。附睾脂肪垫的组织化学切片分析表明脂肪细胞大小在4周以后再干预前组中要更大。

发现在移植了干预前GD58小鼠的炎症反应更强，从肝脏、回肠和盲肠的TNFα, IL6 和TLR4的基因表达水平可以看出。

总结

总之，该研究发现，具有遗传倾向或单纯性肥胖的病态肥胖儿童其肠道菌群的失调是相似的。富含难消化的碳水化合物的饮食干预将失调的肠道菌群结构调整为一种更健康的菌群组成；此时的肠道菌群利用脂肪和蛋白质产生的有毒性的代谢物降低了，取代的是能够发酵碳水化合物产生有益的代谢物的途径增加了。该研究表明，肠道菌群饮食结构的调节有助于减轻PWS和SO队列中的代谢恶化，这表明无论是遗传易感还是饮食诱导的肥胖患者，其肠道菌群的失调在疾病发生中可能共享相同的致病机制。因此，肠道菌群的饮食结构的调节可能成为整合到代谢疾病管理中的一种非常有前景的策略之一。

参考文献：

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