新文速递 | Cell Metabolism：功能性肠道菌群重塑可促进热量限制诱导的代谢改善
功能性肠道菌群重塑促进热量限制诱导的代谢改善
瑞士学者Mirko Trajkovski等人于2018年8月30日在《Cell Metabolism》发表了题目为《Functional Gut Microbiota Remodeling Contributes to the Caloric Restriction-Induced Metabolic Improvements》的文章。该研究主要揭示了肠道微生物群重塑对于与热量限制相关的代谢改善很重要，包括脂肪褐变和血糖控制的改善。 它们将全身有益的代谢作用与减少内毒素产生联系起来，进而增加脂肪组织中2型免疫应答。
研究摘要
热量限制（CR）可刺激功能性米黄脂肪的生成并延长健康寿命。
本研究显示肠道微生物群的成分和功能变化有助于许多CR诱导的代谢改善和促进脂肪褐变。（1）从机理上讲，这些作用与脂质A生物合成（一种关键的脂多糖（LPS）构建组分）所必需的关键细菌酶的较低表达有关；（2）LPS降低决定了CR期间先天免疫反应的基调，导致CR动物脂肪中嗜酸性粒细胞浸润和抗炎性巨噬细胞极化增加；（3）LPS-TLR4通路的遗传和药理学抑制或Tlr4-/- 骨髓来源的造血细胞的转移增加了米色脂肪的生成并改善了饮食诱导的脂肪肝，而Tlr4-/- 或微生物群耗尽的小鼠对进一步CR刺激的代谢改变具有抗性。
这些数据揭示了在CR期间微生物群-脂肪信号轴的关键信号，并提供了潜在的新型抗肥胖治疗方法。
Highlights
CR-微生物群的移植可改善血糖控制和胰岛素敏感性；
CR微生物可促进米黄脂肪的产生并可以减轻重量；
CR可抑制LPS生物合成的关键微生物基因并决定免疫调节；
LPS-TLR4抑制骨髓来源细胞促进新陈代谢和褐变。
文中主要图片说明
图1. 短期热量限制改变肠道微生物组成。每组小鼠的粪便（A）和第六周盲肠（B）的菌群PCoA图。每个符号表示在实验开始时（T0），3周和6周后（T3和T6），来自热量限制（CR）或其自由采食（AL）对照小鼠的粪便（A）或盲肠（B）样品，（每组n = 8）；C：在指定时间点比较AL和CR小鼠的盲肠和粪便的细菌门的丰度比例；D：AL和CR小鼠的粪便中的菌群热图；E：粪便中不同的细菌门的相对丰度。
图2. 热量限制期间肠道微生物重塑提供了代谢益处。AL-和CR-微生物群-移植的GF小鼠的口服葡萄糖耐量试验(OGTT)(A)和胰岛素耐量试验(ITT)(B)的曲线下面积，(每组n = 6)；AL-和CR-微生物群-移植的GF小鼠中的葡萄糖输注速率(C)，2-DG葡萄糖摄取量(D)和葡萄糖处理(E)(每组n = 6)；F：通过MicroPET-CT扫描定量AL-和CR-微生物群-移植的GF小鼠的总ingSAT和pgVAT体积并对其进行3D重建；G：AL-和GF-移植小鼠死后指示器官的重量（每组n = 6）；H：来自ingSAT，pgVAT和iBAT的代表性H＆E染色的组织切片；I：AL-和GF-移植小鼠的ingSAT中褐变标记物的相对mRNA表达（每组n = 8）；J：AL-和GF-移植小鼠的ingSAT中UCP1的免疫荧光染色的代表性图像；K：AL-和CR-微生物群-移植的GF小鼠ingSAT中2型细胞因子IL4和Il13的相对mRNA表达；L：AL-和CR-微生物群-移植的GF小鼠的基质血管组分（SVF）中的嗜酸性粒细胞的定量；M：来自AL-和CR-移植的GF小鼠的ingSAT SVF的CD11b + F4 / 80 +巨噬细胞中CD301荧光强度的定量；N：AL-和CR-微生物群-移植的GF小鼠ingSAT SVF的巨噬细胞中的NOS2平均荧光强度（MFI）。
图3. CR肠道微生物移植在恒温时具有功能。恒温的AL-和CR-移植的GF小鼠OGTT（A）和热中性的标准化ITT（B）（每组n = 6）； C：恒温的AL-和CR-移植的GF小鼠ingSAT的具有代表性的H＆E染色的组织切片；D：恒温的AL-和CR-移植的GF小鼠的ingSAT（q）和pgVAT（r）中的褐变标记物的相对mRNA表达（每组n = 8）；AL-和CR-移植的GF小鼠的OGTT（E）和ITT（F）（每组n = 9-10）；G：AL-和CR-移植的GF小鼠ingSAT中褐变标记物的相对mRNA表达（每组n = 5-6）；H：AL-和CR-移植的GF小鼠ingSAT的具有代表性的H＆E染色的组织切片；AL和CR Abx处理的小鼠的OGTT（I）和ITT（J）（每组n = 9-10）；K：AL和CR Abx处理的小鼠ingSAT中褐变标记物的相对mRNA表达（每组n = 5-6）；L：AL和CR Abx处理的小鼠ingSAT的代表性H＆E染色的组织切片。
图4. LPS重建可以恢复由CR引起的代谢改善。A：AL和CR小鼠粪便中菌群PCoA分析图；B：CR和AL小鼠宏基因组学（来自盲肠或粪便样品）之间的SEED level 1 subsystems明显不同；AL和CR小鼠的LBP（C）和LPS的血清水平（D）；E：AL和CR小鼠肝脏中Lbp和Myd88的相对mRNA表达（每组n = 4）；F：假手术和注射LPS的AL和CR小鼠的ingSAT中褐变标记物的相对mRNA表达（每组n = 4-6）；G：来自假手术和注射LPS的AL和CR小鼠的ingSAT的UCP1的代表性H＆E组织切片和免疫荧光染色；来自假手术和注射LPS的AL和CR小鼠（每组n = 6）的OGTT（H）和ITT（I）；来自假手术的AL和CR小鼠和慢慢注入LPS的AL 和CR小鼠（每组n = 5）的ingSAT（J）和pgVAT（K）中的褐变标记物的相对mRNA表达；L：如（J）和（K）中那样，在小鼠冷暴露3小时期间，相对于眼睛，腹侧或背部区域或眼睛中的初始值的红外温度变化（每组n = 5）。
图5 TLR4抑制导致米黄脂肪产生。A：每天用10％DMSO（HCD载体）或CLI-095（HCD CLI-095）注射5周的HCD小鼠的体重（n = 10）；（A）中小鼠的OGTT（B）和标准化ITT（C）（n = 10）；D：每天用10％DMSO（HCD载体）或CLI-095（HCD CLI-095）注射5周的HCD小鼠冷暴露3小时期间，相对于眼睛，腹侧或背部区域或眼睛的初始值的红外温度变化）（每组n = 5）；E：（A）中小鼠死后指示器官的重量（每组n = 10）；（A）中的小鼠的横向[18F] FDG PET-CT图像（F），ingSAT（G）中放射性标记示踪剂[18F] FDG的标准摄取值（SUV），以及使用的总ingSAT和pgVAT体积（H）的量化（n = 5）；I：来自HCD载体和CLI-095小鼠的ingSAT的代表性H＆E染色的组织切片；J：HCD载体和CLI-095小鼠（每组n = 5）的ingSAT中褐变标记物的相对mRNA表达；K：8周龄野生型（WT）和Tlr4 KO小鼠（每组n = 5-6）的OGTT；L：在指定年龄的WT和Tlr4 KO小鼠中的脂肪/瘦肉质量比（每组n = 3-12）；M：8周龄WT和Tlr4 KO小鼠的ITT（每组n = 5-6）；WT和Tlr4-/- 小鼠的ingSAT（N）和pgVAT（O）中褐变标记物的相对mRNA表达（每组n = 6）；P：WT和Tlr4 KO小鼠的ingSAT中UCP1的免疫荧光染色的代表性图像；Q：用Seahorse分析仪检测来自WT和Tlr4 KO小鼠的ingSAT活组织检查中的耗氧率（OCR）。Iso，异丙肾上腺素（每组n = 4只小鼠，一式四份测定）；R：AL和CR 的Tlr4 KO小鼠的ingSAT中褐变标记物的相对mRNA表达（每组n = 5）；WT和Tlr4 KO小鼠的ingSAT SVF中CD11b + Siglec F +嗜酸性粒细胞（S）和CD301平均荧光强度（MFI; T）在CD11b + F4 / 80 +巨噬细胞中的定量（每组n = 5）。
图6. 造血Tlr4缺乏促进褐化。A：WT（左）和Tlr4 KO（右）小鼠进行致死性照射，随后用WT和KO骨髓移植的OGTT值（每组n = 5-9）；B：在12小时冷暴露的WT（左）和KO（右）BMT小鼠（每组n = 5-9）期间相对于初始值的红外眼温度读数；C：来自BMT小鼠的ingSAT和pgVAT的代表性H＆E染色的组织切片（每组n = 5-9）；D：BMT小鼠死后脂肪的重量（每组n = 5-9）；BMT小鼠（每组n = 5-9）中ingSAT（E）和pgVAT（F）中褐变标记物的相对mRNA表达。
图7. 在HCD期间，iAP诱导褐变并改善代谢健康。AL和CR小鼠的结肠粘蛋白层厚度定量（A）和代表性阿尔新蓝染色（箭头）切片（B）（每组n = 6）；通过宏基因组学分析AL和CR小鼠检测到的脂质A生物合成中涉及的LpxA（C），LpxL（D），KdtA（E），LpxB（F）和LpxK（G）的相对丰度（每组n = 8）；AL和CR小鼠的血清（H）和粪便（I）中的内毒素水平通过鲎阿米巴样细胞裂解物（LAL）比色测定法测定（每组n = 6-11）；通过LAL比色测定法测定HCD喂养和iAP小鼠的血清（J）和粪便（K）中的内毒素水平（每组n = 6-8）；HCD喂养和iAP小鼠的OGTT（L）和ITT（M）（每组n = 12）；O：在高胰岛素- 正常血糖钳夹期间在指定组织中的葡萄糖输注速率（N）和2- [14C] DG摄取； P：来小鼠的肝脏的代表性H＆E染色的组织切片；来自CLI-095（Q）和iAP（R）小鼠的HCD载体中的肝甘油三酯含量；S：来自BMT小鼠的肝脏的代表性H＆E染色的组织切片；T：HCD BMT小鼠中的肝甘油三酯含量；U：HCD和iAP小鼠死后指示器官的重量（n = 12）。V：HCD和iAP小鼠的ingSAT的代表性H＆E染色的组织切片；HCD和iAP小鼠（n = 6）的ingSAT中褐变标记物（W）和2型细胞因子（X）的相对mRNA表达。
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