科研|Nature：膳食果糖通过菌群衍生的乙酸促进肝脏脂肪生成
编译：阿昊，编辑：谢衣、江舜尧。
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近几十年来，由于在饮料和加工食品中使用蔗糖和高果糖玉米糖浆，果糖的消费量显著增加，这导致肥胖和非酒精性脂肪肝发病率增加。果糖的摄入会触发肝脏脂肪生成。ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）分解胞质柠檬酸盐生成乙酰辅酶A，并在消耗碳水化合物后上调。临床试验目前正在寻求通过抑制ACLY以治疗代谢疾病。然而，从膳食果糖到肝乙酰辅酶A和脂质的途径仍然未知。在这里，通过体内同位素示踪，我们发现小鼠肝脏特异性ACLY缺失不能抑制果糖诱导的脂肪生成。饮食中的果糖被肠道微生物群转化为乙酸盐，从而独立于ACLY提供产脂乙酰辅酶A。微生物群的减少或肝脏ACSS2的沉默（ACSS2从乙酸盐中生成乙酰辅酶A）可能会抑制果糖转化为肝乙酰辅酶A和脂肪酸。当果糖被逐渐消耗时，肝细胞中的柠檬酸盐裂解和微生物衍生的乙酸盐都有助于脂肪生成。这些数据揭示了调控肝脏脂肪生成的双通路机制，其中肝细胞内的果糖分解提供了促进脂肪生成基因表达的信号，而微生物乙酸盐的产生为乙酰辅酶A的脂肪生成提供了营养。
论文ID
原名：Dietary fructose feeds hepatic lipogenesis via microbiota-derived acetate
译名：膳食果糖通过菌群衍生的乙酸促进肝脏脂肪生成
期刊：Nature
IF：41.577
发表时间：2020.3.18
通讯作者：Kathryn E. Wellen
通讯作者单位：美国宾夕法尼亚大学费城佩雷尔曼医学院
实验设计
本研究中的所有动物方案均获得了宾夕法尼亚大学动物护理使用机构委员会（IACUC）和普林斯顿大学IACUC的批准。为了进行饮食研究，4周大的雄性小鼠在指定的时间内，食用普通饮食或高果糖饮食。向小鼠提供常规自来水（通过0.22μm过滤器过滤），15%（w/v）果糖，15%（w/v）葡萄糖（Sigma F3510，G8270）。每天的耗水量是通过测量笼子里的总耗水量除以笼子里的老鼠数量来确定的。为了消除肠道微生物群影响，小鼠连续7天每天灌胃10 μl g−1的溶液，包括：1 mg ml−1 氨苄青霉素, 1 mg ml−1庆大霉素, 0.5 mg ml−1 万古霉素, 1 mg ml−1 新霉素, 1 mg ml−1 灭滴灵溶于生理盐水中。
实验结果
1.果糖驱动的脂肪生成是完全独立的
为了在不改变整体饮食的情况下进一步研究肝脏ACLY在果糖诱导脂肪产生中的作用，我们用正常饮用水或含有1:1果糖和葡萄糖混合物（各15%；果糖：葡萄糖）的饮用水喂养小鼠（Extended Data图4a-c）。与喂饲高果糖饮食的小鼠相似，饮用葡萄果糖混合物4周的野生型（wildtype）和敲基因（LAKO）小鼠出现轻度肝脂肪变性（Extended Data图4d）。此外，氘化水（D2O）示踪显示，饮用果糖-葡萄糖混合物（1：1）可在wildtype和LAKO小鼠中在相同程度上增加肝脏新生脂肪（DNL）（图1b）。因此，从肝脏中敲除ACLY并不能阻止DNL对果糖消耗的反应。鉴于这一出乎意料的结果，我们通过对wildtype和LAKO小鼠灌胃果糖-葡萄糖混合物（1：1）（葡萄糖或果糖13C标记Extended Data图4e），测试了ACLY缺陷对果糖转化为新生脂肪酸的影响。值得注意的是，在LAKO和正常小鼠中，果糖碳与脂肪酸的结合程度相似，而葡萄糖碳几乎没有使用（图1c，Extended Data图4f）。这些数据表明，与现有的果糖代谢模型相比，涉及果糖的肝脏DNL过程并不需要ACLY。
图1果糖依赖性脂肪酸的合成是不依赖于ACLY的。a. 野生型（WT）或LAKO小鼠饲喂鼠粮（CD）或高果糖饲料（HFrD）4周或18周后的肝脏。b. D2O标记小鼠24小时后，肝脏中皂化棕榈酸（16:0）和硬脂酸（18:0）的相对氘掺入量。D2O标记的基础水平设为1。c.果糖：葡萄糖（1:1）灌胃小鼠血清中皂化脂肪酸中总标记碳的百分比，每种1.0 g kg-1。显示13C标记的基板。d. 野生型或LAKO小鼠肝脏裂解物中产脂酶的Western blots检测结果表明，饲喂鼠粮或高果糖日粮4周后，肝脏裂解物中的产脂酶水平升高。
2. 微生物衍生的乙酸盐对脂肪生成的影响
接下来我们研究了果糖碳如何独立地用于脂肪酸合成的机理。先前的研究表明，肝脏DNL程序被ChREBP转录因子激活以响应碳水化合物的消耗。在长期高果糖摄入后，wildtype和LAKO小鼠的肝脏上调了高活性的ChREBP-β异构酶-m14，以及产脂基因（Acaca和Fasn）和其他ChREBP靶基因，醛缩酶B（Aldob）和酮己糖激酶（Extended Data图5a）。高果糖饮食的野生型小鼠也表现出ACLY上调（Extended Data图5a）。DNL程序的诱导在蛋白质水平上也很稳健（图1d，Extended Data 5c）。果糖饲喂LAKO小鼠肝脏中ACLY蛋白的残留在肝细胞以外的细胞中检测到（Extended Data图5d）。酰基辅酶A合成酶短链家族成员ACSS2将乙酸转化为乙酰辅酶A，在消耗果糖的LAKO小鼠中显著上调（图1d，Extended Data图5b，c）。此外，在饮用果糖：葡萄糖=1:1后，ACSS2基因位点显示组蛋白H3K27乙酰化增加（Extended Data图5e）。与ACSS2位点结合的ChREBP通过高通量测序（ChIP-seq）数据集（Extended Data图5f）在已发表的染色质免疫沉淀中鉴定。ACSS2也是SREBP转录因子的一个靶点，SREBP转录因子在果糖消耗时被激活。这些数据表明，ACSS2是肝脏对果糖消耗反应的一个组成部分。
接下来，我们研究了乙酸盐是否是促进了DNL关键微生物作用。为了评估果糖摄入量是否导致门静脉乙酸盐浓度明显增加，我们在管饲后测量了门静脉和全身血清中的乙酸盐。灌胃果糖后60-90分钟，门静脉中的乙酸盐浓度比基线增加约两倍（至1mM以上）（Extended Data图8d，图2d）。经抗生素处理的小鼠门静脉乙酸盐没有增加（Extended Data图8d）。摄入果糖后，全身循环中的乙酸盐浓度低于门静脉，并且没有明显的波动，这表明乙酸盐被肝脏清除了（Extended Data图8d）。接下来，为了评估乙酸盐是否支持微生物代谢下游的DNL，用[13C]乙酸盐和1：1果糖：葡萄糖对小鼠进行了灌胃。
与[13C]果糖处理的DNL相比，DNL不受抗生素治疗的影响（图3c）。最后，为了测试果糖喂养DNL是否需要肝ACSS2，使用靶向ACSS2的腺相关病毒（AAV）抑制了肝脏中的ACSS2（Extended Data图8e-g）。肝中ACSS2的消耗强烈抑制了[13C]果糖中循环脂质中脂肪酸的标记（图3d）。总之，这些数据表明果糖剂消耗后DNL有两方面机制，其中肝细胞中的糖代谢触发DNL转录程序，但微生物组依赖性乙酸盐的产生是转化后主要的果糖衍生脂生底物通过肝ACSS2转化为乙酰辅酶A（Extended Data图10a）。
图2在肝细胞中，乙酸盐优先产生乙酰辅酶A。F1P代表果糖-1-磷酸；DHAP代表二羟基丙酮磷酸；F-1,6-BP代表果糖-1,6-二磷酸；G3P代表甘油醛-3磷酸；GA代表甘油醛。数据是平均值。n=3片细胞。
图3.肠道菌群对大剂量果糖代谢的影响。a.使用曲线下面积（AUC0-240min）分析用生理盐水、抗生素治疗的野生型小鼠肝脏。数据为平均值。b. 经生理盐水、抗生素处理和 [13C]果糖：未标记葡萄糖（1:1）灌胃的小鼠血清中皂化脂肪酸中总标记碳的百分比。P值由双边t检验确定。c. 用生理盐水或抗生素处理和果糖：葡萄糖（1:1）灌胃的LAKO小鼠血清中皂化脂肪酸中总标记碳的百分比。d. 用AAV8GFP或AAV8-shAcss2尾静脉注射1周后，野生型和LAKO小鼠血清中总标记碳的百分比。P值由双边t检验确定。b–d中的数据为平均值。
3.脂肪生成信号和底物
当摄取速率超过小肠的摄取能力时，果糖产生依赖于微生物群的乙酸盐产生。因此，如果果糖被逐渐消耗，其对DNL的贡献可能在很大程度上是通过ACLY产生的，而在较小程度上是通过微生物产生的乙酸盐产生的。
然而，在饮用水中提供果糖-葡萄糖混合物（1：1）后，在ACLY存在或不存在的情况下，DNL都受到类似的刺激（图1b）。为了进一步探讨这一点，小鼠被24小时使用13C标记的果糖或葡萄糖喂养（图4a）。果糖衍生碳对肝脏脂质池的贡献很大，在果糖-葡萄糖混合物（1：1）饮用24小时后，超过20%的肝脏脂肪酸碳被[13C]果糖标记，而[13C]葡萄糖的贡献较小（图4b）。在这种情况下，脂肪酸的[13C]果糖和[13C]葡萄糖标记减少（图4b）。然而，用重水标记法测得的总DNL在不同基因型之间没有差异（图4c），这表明其他两个碳供体有足够的可用性。
我们假设来自其他来源的乙酸（例如，纤维发酵）可能被吸收。为了测试这一点，我们在初次接触和服用果糖-葡萄糖混合物（1：1）2周后，在果糖-葡萄糖混合物（1：1）的饮用水中添加[13C]乙酸盐（Extended Data图9a）。在LAKO小鼠中，脂肪酸的[13C]标记基线较高（图4d）。果糖调理后，野生型小鼠体内乙酸对DNL的贡献增加，而LAKO小鼠体内乙酸的贡献进一步增加（图4d），这与果糖喂养后LAKO小鼠肝脏ACSS2表达增加一致，后者发生在脂肪变性之前（Extended Data图9b，c）。接下来，我们评估了在逐渐消耗果糖的情况下，来自所有膳食来源的微生物群乙酸盐的贡献。抗生素治疗抑制LAKO小鼠的肝DNL总量（图4e，Extended Data图9d）。所有组都证实ChREBP-β和DNL基因表达上调，表明它们对果糖消耗的调节独立于乙酰辅酶A代谢（图4f）。最后，我们在抑制肝脏ACSS2后，检测给予果糖-葡萄糖混合物（1：1）的小鼠体内DNL过程，发现在逐渐消耗果糖的情况下，ACLY和ACSS2的丧失对抑制了DNL过程（图4g）。这些数据表明，当果糖被逐渐在小肠中的吸收时，DNL的速率是通过信号机制建立的（即ChREBP的糖驱动激活），只有当ACLY和ACSS2产生乙酰辅酶A的过程被抑制时，DNL才被抑制（Extended Data图10b）。
图4摄取果糖可促进ACLY和ACSS2的生成，从而促进乙酰辅酶A和肝脏脂肪生成。a.逐步消耗果糖的实验设计。b.[13C] 果糖、[13C] 葡萄糖在野生型或LAKO小鼠的皂化肝脂肪酸中的总标记碳百分比。c. 从重水中提取的总标记氢在皂化肝脂肪酸中的百分比。d. 血清中皂化脂肪酸中[13C]乙酸酯总标记碳的百分比。e. 用生理盐水、抗生素（ABX）处理1周后，野生型和LAKO小鼠肝脂肪酸中D2O总标记氢的百分比。f. 小鼠肝脏中ChREBP（又称Mlxipl）和产脂基因的mRNA表达。b-g中的数据表示平均值。所有P值均采用双向方差分析（ANOVA）和Tukey检验进行多重比较。
讨论
果糖大量摄入后会引发肝脏脂质合成，而此过程不依赖于ACLY，而是通过肠道微生物菌群将果糖代谢成为乙酸盐进而转化为乙酰辅酶A。果糖依赖的肝脂代谢模型是一个双通路交叉调控的过程，肝脏果糖代谢促进肝脏从头脂质合成过程中的转录程序的开启，而微生物果糖代谢过程则为肝脏脂质合成过程提供了乙酸盐的原料。
评论
该论文指出果糖依赖的肝脂代谢模型是双通路交叉调控的过程，有助于在未来治疗代谢疾病。
原文网址：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2101-7