文献解读肠道菌群差异膳食纤维及两者的相互作用对宿主代谢的影响

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主要技术手段:16S rRNA基因测序、RNA-seq、代谢组学

测试样本:不同膳食纤维喂养小鼠的盲肠内容物、血液、肝脏

测试设计

基于α多样性的差异,本研究选择了两个显着不同的菌群:SubA(受试者A的粪便菌群)和SubB(受试者B的粪便菌群),每组30个体。 -36只小鼠。 定植后,给小鼠喂食以下四种纤维素中的一种:纤维素(不可发酵纤维纤维素)、菊粉、果胶和什锦纤维,并以纤维素作为对照。 ,每根纤维喂给 7-10 只小鼠(见图 1)。 喂养4周后,采集小鼠盲肠内容物、血液和肝脏样本,通过16S rRNA基因测序、RNA-seq、代谢组学和代谢组学研究肠道菌群差异对纤维调节宿主代谢的影响。其他方法。

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图1 实验设计

1.肠道菌群对宿主代谢表型的影响

作者比较了不同菌群定植的小鼠的代谢表型,发现相同膳食纤维饮食下的代谢表型存在差异。 在定植有 SubA 菌群的小鼠中,相对于对照组,果胶饮食治疗具有总体有益的代谢表型,即脂肪和肝脏 TG(肝脏甘油三酯)减少,但这种饮食对定植有负面影响。 具有 SubB 微生物群的小鼠是不利的; 菊粉的有益效果在 SubB 微生物群定植的小鼠中最强。

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图2 肠道菌群对宿主代谢表型的影响

2. 纤维饮食对不同菌群定植小鼠肠道菌群的影响

对从饮食处理的小鼠中收集的盲肠样本进行 16S rRNA 分析。 未加权PCoA结果显示,不同菌群定植的小鼠盲肠菌群组成存在显着差异,但相同菌群定植的小鼠盲肠菌群组成差异较小(图3A)。

加权PCoA显示,不同纤维处理以及不同菌群定植的样品之间存在一定差异。 定植的相同细菌群对不同饮食的影响趋势相同,不同纤维饮食对定植后的细菌群有相同的影响。 对丰度有明显的影响(图3B)。

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图3 纤维饮食对不同菌群定植小鼠肠道菌群的影响

LEfSe分析结果显示(图3C),饲喂纤维素后,SubA定植的小鼠和SubB定植的小鼠的优势菌群存在显着差异,而饲喂菊粉和组合纤维后的差异菌群总体相似。

基于气相色谱的分析结果表明,不同的纤维饮食和细菌菌群会对SCFA(短链脂肪酸)和BCFA(支链脂肪酸)的含量产生一定的影响。 然而,不能证明丁酸是影响不同菌群定植小鼠代谢表型差异的主要因素。

对研究中所有小鼠进行的 Pearson 相关分析表明,盲肠丁酸盐水平与肥胖 (r = − 0.4682,P = 0.003)、乙酸盐水平 (r = − 0.3595,P = 0.0266) 和总体 SCFA (r = – 0.3226,P = 0.0483)结果相似。 任何 SCFA 与测试的其他表型之间均未检测到显着关联。 尽管丁酸盐可能会影响肥胖,但可能还有其他微生物、纤维类型依赖性代谢物或微生物信号促成这种表型。

3.纤维饮食治疗后微生物群对代谢结果的潜在中介作用

作者研究了 SubA/B 组在接受纤维、菊粉和果胶三种膳食干预后,微生物群对代谢结果(包括肥胖、肝脏甘油三酯和血糖)的潜在中介作用。 结果表明膳食纤维与微生物的相互作用对代谢表型具有调节作用。

4.肠道菌群与纤维饮食的相互作用调节血液代谢

对每种饮食治疗中显着不同的物质的检查显示,与氨基酸和脂质代谢途径相关的代谢物存在显着差异(图4)。 从这个结果中,我们也可以得到与前人类似的看法。 食用膳食纤维会导致肠道菌群差异,从而影响血液代谢产物的产生。

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图4 肠道菌群的变化导致血清氨基酸和脂质代谢水平的变化

5.氨基酸、脂质代谢途径与宿主表型相关性研究

作者研究了血清代谢水平是否与宿主代谢结果相关。 加权相关网络分析发现血清代谢物和密切相关的模块。 这些模块与宿主代谢表型之间的关联结果如图5a所示。 青色模块与肥胖(r = 0.66,P = 8e-07)、肝脏TG(r = 0.43,P = 0.003)和血糖(r = 0.45,P = 0.002)相关,而蓝色模块与肥胖(r = – 0.47 P = 0.001)与肝脏TG(r = -0.38 P = 0.01)呈负相关。 红色模块与血糖表型的相关性最高(r = 0.46 P = 0.002)。 KEGG分析显示,青色模块较高表达鞘磷脂、磷脂酰胆碱(PC)等途径相关代谢物,蓝色模块与谷氨酰氨基酸等途径相关,红色模块为脂肪酸代谢和嘌呤代谢。 等等。

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图5 与代谢表型相关的血清氨基酸和脂质水平变化

6.菌群、血清代谢物与宿主代谢表型的相关性分析

为了识别与代谢物相关的细菌分类群,作者应用了具有代谢物反应的对数对比模型。 连接类群和代谢物超级途径的关联分析表明,厚壁菌门参与了大多数关联,其次是拟杆菌门(图 6)。 结果表明,不同饮食中两个群落差异表达的微生物群水平的变化与全身代谢物和宿主代谢表型的变化有关。

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图6 肠道菌群与血液代谢物的关联网络

7. 纤维饮食治疗后肠道微生物群对肝脏基因表达的影响

作者发现,不同微生物群的小鼠定植会影响组蛋白的共价翻译后修饰 (PTM)。 为了探讨这些差异是否与肝脏基因表达的变化相关,作者进行了 RNA 测序 (RNA-seq) 分析。 在菊粉和果胶饮食处理中,定植不同菌群的两组小鼠之间基因表达存在显着差异(图7); 喂食纤维的小鼠差异表达基因最少,两组中只有 26 个基因。 差异表达(菊粉 228 个基因,果胶 123 个基因,组合纤维 48 个基因)。

研究表明,菊粉和果胶消耗对宿主的调节作用可能取决于环境。 小鼠长期食用果胶或菊粉会导致先天性免疫缺陷和肠道微生物群改变,从而导致肝脏炎症和肝细胞癌。 总而言之,这些结果表明肠道微生物群是调节肝脏基因表达的差异因素。 此外,数据表明,摄入不同的膳食纤维可以影响肠道微生物群的组成,进而影响肝脏中的基因表达。

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图7 肠道微生物组变异对不同成纤维细胞基因表达的影响

总结

作者给基因相同但肠道菌群完全不同的小鼠喂食四种等热量的不同膳食纤维,以研究肠道菌群差异对膳食纤维调节宿主代谢的影响。 肠道菌群16S分析结果显示,定植不同菌群的小鼠盲肠菌群组成差异较为明显,但饲喂不同膳食纤维对菌群的物种丰度有一定影响。 宿主表观遗传学、转录组学和代谢组学分析揭示了两组定植不同微生物群的小鼠之间纤维饮食的差异,例如氨基酸和脂质途径的差异,而这些途径与宿主的健康状况有关。 有关的。

社论

这项研究表明,膳食纤维对宿主代谢的影响与肠道微生物群的差异有关,并表明不太可能有一种“包罗万象的纤维”补充方案能够对每个人产生一致的健康益处。 总体而言,验证了微生物群和饮食及其相互作用对宿主代谢的重要性,并表明肠道微生物群可以影响膳食纤维对宿主代谢的影响。

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参考

1.Veronese N、Solmi M、Caruso MG、Giannelli G、Osella AR、Evangelou E 等人。 膳食纤维和健康结果:系统评价和荟萃分析的综合评价。 美国临床营养杂志。 2018;107(3):436–44.org/10.1093/ajcn/nqx082。

2.Venkataraman A、Sieber JR、Schmidt AW、Waldron C、Theis KR、Schmidt TM。 人类微生物组对抗性淀粉膳食补充剂的不同反应。 微生物组。 2016;4(1):33。 6-0178-x。

3.Rodriguez J、Hiel S、Neyrinck AM、Le Roy T、Pötgens SA、Leyrolle Q 等。 肠道微生物特征的发现推动了益生元干预对肥胖患者的功效。 肠道。 2020;69(11):1975 –87.0.1136/gutjnl-2019-319726。

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