科研 | 甘露糖改变肠道菌群，预防饮食诱导的肥胖，改善宿主代谢
本文由梁婷婷编译，董小橙、江舜尧编辑。原创微文，欢迎转发转载。导读甘露糖不是人类重要的能量来源，但却是蛋白质糖基化所必需的，它可以治疗先天性糖基化障碍的磷酸酯异构酶突变患者。甘露糖是一种安全有效的预防大肠杆菌引起尿路感染的药物。最近一项全基因组和转录组学研究显示血浆甘露糖、体重指数和胰岛素抵抗之间存在相关性，且甘露糖有助于肠道菌群抵抗高脂饮食诱导的肥胖的有害影响。
图片摘要论文ID原名：Mannose Alters Gut Microbiome, Prevents Diet-Induced Obesity, and Improves Host Metabolism译名：甘露糖改变肠道菌群，预防饮食诱导的肥胖，改善宿主代谢期刊：Cell ReportsIF：8.032发表时间：2018年通信作者：Vandana Sharma通信作者单位：Sanford-Burnham-Prebys Medical Discovery Institute, La Jolla, CA 92037, USA；Lead Contact实验设计
图a 整个实验过程中实验步骤实验内容1 甘露糖能减轻HFD小鼠体重增加，降低脂肪质量，减少肝脏脂肪变性，提高糖耐量3周龄C57BL/6J雄性小鼠饲喂：（1）正常饮食（ND）；（2）含2%甘露糖（ND+M）的ND；（3）45%的HFD；（4）含2%甘露糖和45%HFD（HFD+M）。随着时间的推移，HFD小鼠比ND小鼠体重增加更多。令人惊讶的是，HFD+M小鼠体重与ND组相似（图1A）。HFD喂养的雌性C57BL/6J小鼠补充2%甘露糖也对体重增加有抵抗作用（图S1）。因为我们在雄性和雌性小鼠中都观察到了类似的效果，所以我们使用雄性C57BL/6J小鼠进行后续实验。在饮用水中以2%半乳糖代替甘露糖并不能减轻HFD诱导的体重增加（图1B），说明甘露糖具有特异性作用。断奶后3周提供甘露糖（PW）的效果相似（图1C）；然而，与甘露糖断奶时相比，HFD和HFD+M小鼠之间的差异不明显（图1A）。接下来，我们确定是否需要在整个干预过程中持续使用甘露糖。我们用HFD+M给小鼠断奶，并维持了13周。此时，甘露糖从饮用水中去除，去除后3周内体重增加（图1D）。补充甘露糖对ND小鼠增重也有抑制作用，但不明显，说明甘露糖在HFD环境下的作用更大（图1E）。因此，后续的实验主要集中在HFD上。与HFD小鼠相比，HFD+M小鼠在13周时脂肪量减少（图1F）。与未添加甘露糖的小鼠相比，添加甘露糖3周的HFD喂养小鼠脂肪量也显著减少（图1G），补充第3周脂肪量下降明显，第5周达到统计学意义（图1G）。甘露糖对60%HFD喂养的小鼠也有类似的作用（图1H）。脂肪细胞的组织学分析附睾的脂肪（n=4）显示，相比HFD，HFD+M的脂肪细胞小得多，如图1I（上）所示。与单独喂养HFD的小鼠相比，HFD+M小鼠（45%或60%）肝脏脂肪变性降低（图1I，中、下）。由于观察结果与45%和60%的饮食相似，随后的实验使用了45%的HFD。
图1. 甘露糖诱导体瘦表型，减少肝脏脂肪变性，提高糖耐量。2 甘露糖改善HFD小鼠脂肪细胞糖脂稳态，降低炎症标志物基因表达与ND相比，HFD小鼠的葡萄糖和胰岛素水平较高，但在断奶时甘露糖添加后血糖和胰岛素水平趋于正常（表1）。HFD+M小鼠总胆固醇显著升高，主要是因为高密度脂蛋白（HDL）显著升高，而低密度脂蛋白（LDL）或极低密度脂蛋白(VLDL)未受影响。HFD+M小鼠血清甘油含量降低，表明甘油三酯水解减少。与HFD小鼠相比，HFD+M检测的其他血液参数无明显变化（表1）。HFD与糖耐量和胰岛素敏感性的降低有关。16周后，HFD小鼠葡萄糖耐受较ND小鼠明显（图1J、1K）。甘露糖补充改善了糖耐量，曲线下方面积较低（图1K）。HFD没有诱导胰岛素敏感性（图1L和1M）。然而，与ND和HFD小鼠相比，HFD+M小鼠胰岛素敏感性略有增加，葡萄糖下降幅度更大（图1M）。微阵列基因表达分析显示，在HFD+M和HFD的附睾脂肪（n=3）中有1142个差异表达基因，其中在HFD和ND中756个基因也有差异表达。总的来说，HFD+M小鼠的基因表达模式更接近ND组。炎症性通路和上游预测调节因子，如肿瘤坏死因子α（TNF-α）和干扰素γ（IFNγ）在HFD + M老鼠中被抑制（表S1），在HFD老鼠被激活。表1 血清分析
3 甘露糖能增强HFD小鼠的有氧耐力和体质摄食甘露糖对食物和水的摄取量没有影响，对O2消耗、CO2产生和能量消耗没有变化（图S2），对增加饱腹感的瘦素水平也没有改变（表1）。因此，甘露糖诱导的小鼠体重和脂肪质量的下降既不是由于减少了食物摄取量，也不是由于增加了HFD+M小鼠的活动或能量消耗。重要的是，与HFD小鼠相比，HFD+M小鼠最大耗氧量（VO2max）增加，在跑步机上运动时间较长，甘露糖组小鼠体质增强。4 补充甘露糖的HFD小鼠代谢分析分析了HFD和HFD+M小鼠的宿主代谢，解释甘露糖的有益作用。其他可能的代谢因素有：（1）甘油三酯合成降低和VLDL清除迅速；（2）糖异生增加；（3）AMP激酶（AMPK）活化；（4）脂肪酸氧化增加（FAO）。我们评估了所有这些因素。甘露糖没有改变甘油三酯的合成速率或VLDL清除率。AMPK活化对营养感知、细胞葡萄糖摄取和能量稳态具有重要意义。我们测定了小鼠肝脏和肌肉组织中磷酸化模式，AMPKα[pT172]。甘露糖没有显著改变在肝中AMPKα(pT172)水平。然而，与ND相比，HFD增加肌肉中磷酸化AMPKα，HFD+M小鼠与ND水平相当。脂联素在胰岛素敏感性中起重要作用，在HFD和HFD+M小鼠中相似（表1）。用qPCR检测肝脏代谢酶的表达变化。虽然甘露糖没有改变将甘露糖-6-磷酸转化为糖基化的磷酸酶的表达，但在HFD+M中通过糖酵解分解甘露糖的MPI比HFD组高1.25倍。其他糖酵解酶，如葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶，在HFD和HFD+M中的表达没有差异。甘露糖不影响糖异生关键酶磷酸烯醇丙酮酸羧激酶和葡萄糖-6-磷酸酶。在HFD小鼠中，过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα)的高表达，肉碱棕榈酰转移酶1（Cpt-1）和过氧化物酶病膜蛋白与甘露糖可能会建议增加FAO的可能性。虽然与ND相比，HFD增加了这些基因的表达，但是这样的增加在HFD + M小鼠中并没有观察到，这与HFD + M降低肝脏脂质含量相一致。这些结果排除了甘露糖对这些宿主代谢途径的直接影响。5 甘露糖喂养的HFD小鼠粪便中含有较高的能量、甘露糖和SCFAs通过测量粪便能量来确定能量利用情况（表2），HFD+M小鼠粪便的能量含量比HFD多约1.85 Kj/g或442 cal/g，说明甘露糖对膳食能量的吸收减少。ND小鼠的能量含量与HFD小鼠相似。HFD+M小鼠粪便能量含量较高可能与甘露糖增多有关。与HFD相比，HFD+M小鼠粪便中甘露糖的含量增加了40倍，而葡萄糖水平没有变化（表2），但在总能量提升中，甘露糖含量增加不足1%。与HFD相比，在HFD+M中，甘露糖增加了粪便总短链脂肪酸（SCFA）的浓度，其中包括醋酸、丙酸，最显著的是丁酸（表2）。这些结果表明，在摄食过甘露糖的小鼠，其膳食中含有不明确的成分，与它们的体瘦表型一致。表2 粪便分析粪便生化指标HFDHFD+Mt Test能量 (mg/dL) (KJ/g) n = 1416.09 ± 0.1817.94 ± 0.32****甘露糖(μmol/g) n = 7–80.15 ± 0.066.0 ± 1.8**总短链脂肪酸(μmol/g) n = 7–83.3 ± 0.47.6 ± 1.6*乙酸(μmol/g) n = 7–82.0 ± 0.45.9 ± 1.4*丙酸(μmol/g) n = 7–80.25 ± 0.040.5 ± 0.1*丁酸(μmol/g) n = 7–80.18 ± 0.010.44 ± 0.07*6 甘露糖的有益作用在晚年开始时就失去了评估了甘露糖作为治疗饮食诱导肥胖（DIO）发作后干预的有效性。给16只服用HFD的老鼠断奶，8只小鼠在妊娠8周时补充2%甘露糖，小鼠体重和脂肪量增加。令人惊讶的是，甘露糖都没有减轻体重或脂肪团，提示除非在生命早期提供甘露糖，否则甘露糖介导的对DIO的保护作用将丧失。这一点，再加上需要持续补充甘露糖，说明甘露糖通过一种因子发挥作用，这种因子在生命早期可以被调节，并且只有在提供甘露糖的情况下才会持续。7 甘露糖改变HFD小鼠肠道微生物组成推测在将牛奶向固体食物转变的过程中所发生的变化，可能与在生命后期服用甘露糖导致的体瘦表型丧失有关。比较了ND、HFD、HFD +M断奶后小鼠粪便微生物区系组成，其中甘露糖分别于妊娠0、3、8周开始喂养。对年龄分别为13、14、19周的小鼠在8-10周后的粪便样本进行分析（图2A）。与ND小鼠相比，HFD小鼠拟杆菌门减少，衣壳菌门和放线菌门增多（图2B）。在妊娠0和3周时，甘露糖增加了拟杆菌门与厚壁菌门的比值，但是到8周时，比值不变。这就表明，在微生物群组成和甘露糖摄入时间之间存在一定的联系。在属水平上，在0周或3周，甘露糖摄食小鼠增加了拟杆菌门相对丰度；然而，在PW 8周时，摄食甘露糖的小鼠的相对丰度开始显著下降。粪杆菌和梭状芽孢杆菌在妊娠8周的小鼠中其相对丰度高于0周和3周小鼠（图2C）。这些特征也反映在种水平上（图2D）。为了进一步巩固甘露糖诱导的微生物区系组成变化与肥胖之间的联系，评估了在去除甘露糖补充剂后，HFD+M小鼠中微生物群落的变化，研究发现，这些变化与HFD微生物区系有相似的组成变化（图S3）。这些变化表现为随着甘露糖去除后体重增加（图1D），并强调了在断奶时引入甘露糖的效果是持久的，需要持续保持微生物组成和体瘦表型。
图2. 甘露糖补充改变肠道菌群组成。8 甘露糖通过微生物的变化降低了HFD小鼠能量的摄入本研究结果显示肠道微生物是介导甘露糖诱导的体瘦表型的潜在因素。分别用HFD和HFD+M对小鼠盲肠内容物进行转录组学研究，以获得其机制。为了尽量减少从牛奶到固体食物饮食的转变所带来的影响，比较了盲肠微生物区系的转录组。主要关注差异转录丰度，在分类和功能学水平上比较HFD和HFD+M两组转录丰度。分类单元——在甘露糖处理后，映射到参考基因组的序列的分布，以识别转录本丰度不同的类群（表S2）。最不同的是，大量的转录本被映射到厚壁菌门（图3A；表S3）。值得注意的是，拟杆菌门表达的3853个连接蛋白在甘露糖中的表达量存在差异。尽管差异转录本丰度的大小超过了群落中细胞丰度的变化，但是这与16S rDNA分析相吻合（图2A）。甘露糖诱导的差异转录本丰度大多数映射到17个属（图3B；表S4）。功能分析——HFD小鼠在3周和8周进行的甘露糖治疗改变了多细胞过程（图3C；表S5）。反应性小鼠中拟杆菌甘露糖诱导的差异丰富的转录本有2328个，而非反应性小鼠中只有46个（表S6）。有趣的是，尽管基于16S rDNA的拟杆菌的相对丰度在妊娠3周时从18%增加到28%，甘露糖诱导这些糖降解属的全局转录抑制（表S6）。假设甘露糖可能作为一个强大的转录调控因子，影响能量的获取（微生物糖水解、糖代谢和运输途径）。事实上，大约10%的甘露糖诱导的差异丰富的转录本映射到碳水化合物相关的途径。
图3. 甘露糖调节肠道菌群转录组。评 论综上所述，我们发现在生命早期补充甘露糖可以抵抗由HFD引起的体重增加、肝脏脂肪变性和葡萄糖耐受不良，甘露糖摄入组可以导致粪便中含有较高的能量和肠道菌群的变化。这项研究强调，像甘露糖这样的单糖并不是典型的宿主能量来源，但却能对宿主新陈代谢、肠道菌群和从饮食中获取能量产生深远影响。
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