科研 | 母体n-3脂肪酸通过对肠道菌群的调节持续影响后代肥胖
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早期的肠道菌群在晚期宿主代谢中起着关键作用。然而，关于母体在妊娠期和哺乳期饮食中的脂肪酸分布如何影响后代肠道菌群的发育以及随后的代谢健康，我们知之甚少。本文研究者运用转基因小鼠模型，证明成年期体重增加和代谢功能障碍是由母体脂肪酸对肠道微生物群的长期重组介导的。这对于理解现代西方饮食、代谢健康和肠道微生物群落之间的相互作用具有重要意义。
论文ID
原名：Maternal omega-3 fatty acids regulate offspring obesity through persistent modulation of gut microbiota
译名：母体n-3脂肪酸通过对肠道菌群的调节持续影响后代肥胖
期刊：Microbiome
IF：9.133
发表时间：2018年
通信作者：Jing X. Kang
通信作者单位：哈佛大学医学眼马萨诸塞州综合医院内科血脂医学与技术实验室
实验设计
实验设计流程图
实验内容
1 母体在妊娠期和哺乳期的脂肪酸状态对后代脂肪酸分布有不同的调节作用
根据文献报道，降低n-6/n-3的比例可以恢复慢性疾病被破坏的新陈代谢。从早期生活来看，在肥胖母亲中降低n-6/n-3的比例可以减少后代体重增加和小鼠的相关炎症。为了明确妊娠期和哺乳期母体脂肪酸状态不同对后代组织脂肪酸谱的影响，作者创建了一种杂交培养方案，并在不同时间点检测了后代脂肪酸组成（图1）。之后分别评估了WT（高n-6/n-3比率(> 10:1)）和转基因fat-1母鼠（组织n-6/n-3比例平衡约为1:1）的组织脂肪酸谱以及子鼠在断奶（4周龄）时、HFD (高脂饮食)喂养3个月后的组织脂肪酸谱（图1a）。正如预期的那样，WT母鼠的尾部组织中的n-6/n-3PUFA(多不饱和脂肪酸)比率显著高于fat-1母鼠，而且母体脂肪酸谱似乎转移到后代。因此，在哺乳4周后，在妊娠期和哺乳期（WT/WT）都有WT母亲的雄性后代表现出明显高于其他组n-6/n-3的比例。相反，在产期（fat-1/fat-1）中具有转基因fat-1母亲的后代显示出最低的尾部n-6/n-3比率。有趣的是，在交叉组中，WT/fat-1后代（WT母鼠妊娠和fat-1母鼠步入）具有显著低于fat-1/WT后代的n-6/n-3比率。表明在哺乳期间母体脂肪酸谱对后代脂肪酸谱的影响比妊娠期母体脂肪酸谱更明显。有趣的是，经过3个月的HFD喂养后，由于母体基因型导致的青春期尾n-6/n-3比值的差异被消除(图1d)。
图1 实验设计和各组n-6/n-3脂肪酸比例
2 围产期接触n-3 PUFA可以减少高脂肪饮食下的体重增加
为了明确母体脂肪酸状态是否能影响后代体重增加，研究者将4周龄的WT和fat-1的后代喂食HFD 3个月。在摄入HFD之前的第4周，后代体重没有显著差异。HFD喂养3个月后，在雌性后代中各组之间的体重增加没有显著差异（图2a，b）。然而在10周龄也就是HFD喂养6周后，WT/WT雄性的体重显着高于WT/fat-1雄性，表明母体n-3 PUFA状态对后代体重的影响是性别依赖的。随着HFD喂养时间的延长，母体脂肪酸状态对雄性后代体重增加的这种影响得到加强，因而WT/WT在整个实验期间比所有其他组体重增加更快（图2c）。在3个月的HFD后处死小鼠，WT/WT小鼠体重增加了232％，显著高于其他所有组（fat-1/WT-189％;WT/fat-1-195％;fat-1/fat-1-197％;图2d）。而且各组之间的摄食量没有显著差异。
3 母体n-3 PUFA抑制了高脂饮食喂养的后代代谢紊乱的标志物
随后研究者检测了HFD喂养引起的代谢紊乱标志物，以评估后代体重增加的差异是否是由母体n-3 PUFA介导的代谢诱导的。脂多糖结合蛋白（LBP）是代谢性内毒素血症的标志物，在fat-1/fat-1后代中最低（图2e）。肠渗透性（IP）是与微生物内毒素如LPS进入循环有关的肠上皮完整性的量度。同样，fat-1/fat-1组显示出最低的IP（图2f）。
图2 HFD饮食引起的体重增加和代谢标志物检测
4 母体n-3 PUFA状态对后代早期微生物组成有深远影响，并持续到成人期
为了明确后代群体体重和代谢健康的差异是否由肠道菌群的变化介导的，我们对母鼠和子鼠粪便DNA进行了16SrRNA基因测序。母鼠、子鼠HFD前和HFD后粪便微生物群的16SrRNA基因测序，主要坐标分析（PCoA）揭示了母鼠基于微生物群组成的WT和fat-1 的不同聚类，使用PERMANOVA和BrayCurtis相异指数进行的全微生物组显著性检验显示，fat-1和WT之间存在显著差异。而在子代治疗组中，在喂食HFD前和喂食HFD后，后代均根据哺乳鼠的基因型显著聚集，如fat1-1/WT和WT/WT组聚集在一起，以及fat1-1/fat-1和WT/fat-1组聚集在一起。使用香农指数评估α-多样性，显示WT和fat-1母鼠以及摄入HFD只有各组之间没有显著差异组(图3b)。然而，在HFD喂养前，WT/WT组的香农指数与WT/fat-1相比显著降低了微生物多样性(图3b)。动物门水平类群的相对丰度在各组间有明显差异(图3c,d)。
图3 fat-1和WT母鼠后代粪便微生物群的组成及多样性差异
由于基于哺乳母鼠基因型的群体间PCoA聚类存在显著差异，因此根据养母基因型对后代进行分组，并且对这两组进行LEfSe分析（1.WT/fat-1+fat-1）/fat-1;2.fat-1/WT +fat-1/fat-1）（图4a）。结果显示门水平差异显著，WT母鼠哺乳的后代在厚壁菌门（梭菌属）中的物种中更丰富，并且具有fat-1寄养母亲的后代在拟杆菌属物种中更为丰富（主要是拟杆菌属）和变形菌门（主要是ε-变形菌）。在较低的分类学水平上的进一步分析揭示了许多分类群（摄入HFD前13属和HFD后26属）在组间显示出显著差异（图4b）。在HFD后fat-1/WT和WT/WT后代中梭菌和拟杆菌显著更高（图4c）。相反，在摄入HFD后，fat-1/fat-1中Akkermansia显著升高。WT母鼠哺乳的子代中拟杆菌显著降低。有趣的是，在WT母鼠和WT哺乳鼠的后代中观察到的减少的变形菌主要由耗尽的ε-变形菌（图4c）和δ-变形菌驱动，而γ-变形菌的相对丰度没有变化。
图4 fat-1 与WT子代粪便微生物的属水平分布
5 网络交互作用揭示了由脂肪酸水平驱动的宿主-微生物组交互作用
基于网络的分析方法有可能帮助解开复杂的宿主-微生物间的相互作用。利用后代n-6/n-3诱导的微生物群变化与宿主代谢之间的两两相关关系，采用Spearman非参数秩相关系数生成HFD前和HFD后的相关网络。与HFD前微生物群数据的相关性分析得出92个微生物参数和4个宿主参数，其中至少可以找到一个相关性。该网络由118个边（分别为70和48个正（绿色）和负相关（红色））和98个节点（微生物和宿主参数）组成。在HFD前网络中观察到三个模块（1.n-6/n-3比率;2.重量+LBP;3.IP）。最大的模块（n-6/n3比率，蓝色节点），包括正（P;红线）和负相关（N;绿线）和许多分类群（图5a）。在HFD后相关网络中持续存在许多类似的结果，其中体重与变形菌门呈负相关，而LBP与Akkermansia呈负相关（图5b）。
为了进一步研究微生物群组成变化与宿主参数之间的相关关系，我们建立了部分最小二乘(PLS)模型，用于建立感兴趣的相关关系。在所有宿主参数(体重增加、LBP和IP)和所有微生物群数据以及母亲和后代n-6/n-3比率之间建立的模型分别解释了宿主参数的45、32和35%的变异性(图5c)。
最后，利用多因素分析(MFA)将微生物参数叠加到宿主参数上，将其可视化(图5d)。根据母鼠和哺乳鼠的n-6/n-3比值，将微生物群落和宿主数据进行分离。有叠加宿主和微生物组之间的两两比较表明，当WT母体的后代出生时，哺乳母鼠n-6/n-3比值的重要性。
图5 微生物组和宿主代谢表型相互作用的网络分析
结 论
大量证据表明，肥胖及其相关的疾病起源于胎儿期和新生儿期。由于肠道菌群在这些疾病的发病机理和慢性低度炎症中起着关键作用，因此营养研究现在必须关注针对肠道菌群的母性和早期生命干预。本研究表明，母体脂肪酸的状态会持续重组后代的微生物群和与肥胖相关的代谢稳态。此外，这里使用的独特转基因模型挑战了肥胖中直接饮食-微生物相互作用的概念，反而揭示了组织脂肪酸在微生物-代谢相互作用中的重要性。这些结果对当前的慢性病流行具有重要意义。西方饮食中过高的n-6/n-3比例导致了慢性代谢性疾病的跨代流行，这可能部分归因于肠道菌群失调。因此，母体n-3 PUFA的摄入，特别是在哺乳期，是一种有效的治疗措施，可以恢复肠道微生物体内平衡和与现代慢性疾病相关的代谢紊乱。
评 论
本文研究结果证明母体脂肪酸状态和早期新生儿喂养方式可能都对后代的微生物群在整个生命周期中有持续的影响。因此，母体n-3 PUFA的摄入，特别是在哺乳期，是一种可以恢复子代肠道微生物平衡、治疗现代慢性疾病相关的代谢紊乱的有效措施。评论仅属小编一己之见，希望大家多提意见，提携小编进步。
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