“肥胖型”肠道菌群结构是如何形成的？

贾伟

         美国华盛顿大学系统生物学教授Jeffrey Gordon以及他所领导的研究团队是肠道菌群研究的先驱。他们2006年发表在Nature上的研究显示，与瘦人的菌群组成相比，肠道中含量最丰富的两类细菌，Firmicutes（厚壁菌门）和Bacteroidetes（拟杆菌门）在胖人中有明显的改变，Firmicutes与Bacteroidetes丰度比值明显升高。他们还将具有这种特征性丰度比例的胖小鼠的肠道菌以及另一种瘦小鼠的肠道菌移植到无菌鼠的肠道中，两周后令人惊讶的发现，移植了胖小鼠菌群的无菌鼠的体内脂肪重量比移植了瘦鼠肠道菌的增加了20%。这一研究结果揭示了肠道菌群在肥胖发生中的重要作用，菌群结构严重影响到宿主生理、病理的变化，在这以后，有关肠道菌群在肥胖等代谢性疾病中的研究逐渐升温，成为生物、医学界的一个科研热点。目前，这一领域中的研究主要集中于肠道菌群如何调节能量代谢，导致肥胖的发生，而对于十多年前 Jeff Gordon 的发现 - 具有高丰度比例的厚壁菌门/拟杆菌门的“肥胖型”肠道菌群这一结构是如何形成的，研究人员仍然不甚明了。最近，我们组立了一个小课题 - 对高脂饮食后宿主的肠道菌变化进行动态跟踪，结果发现正是高脂饮食下宿主肠道中胆汁酸浓度上升、种类变化、胆酸池扩大，从而快速、有效地改变了菌群结构，宿主胆汁酸代谢水平的升高是形成“肥胖型”肠道菌群结构特征的一个主要因素。
       我们通过肥胖模型小鼠的研究发现胆汁酸、短链脂肪酸、氨基酸、芳香族类等代谢产物对于肠道菌群的改变均有不同程度的贡献，而胆汁酸的改变与厚壁菌门、拟杆菌门等8个门层次的肠道菌变化相关性最强。胆汁酸是胆汁的主要有机成分，当宿主食用含有脂肪的食物时，胆囊收缩，胆汁排入肠道帮助脂肪的消化和吸收；同时胆汁酸和肠道菌之间存在较强的生化作用关系。一方面肠道菌分泌胆盐水解酶（BSH）和代谢酶（如7a-去羟化酶），使肝脏合成后进入肠道的初级胆汁酸代谢成次级胆汁酸；另一方面因为胆汁酸本身的结构特性，胆汁酸又具有抑菌性，它们能与细菌的细胞膜磷脂双分子层有较强的亲和力，使细胞膜的完整性遭到破坏，最终杀灭或抑制一部分肠道细菌，从而改变肠道中的微生态。
 

        为了考察胆汁酸与肠道菌群作用的整个生化过程，我们还系统研究了高脂饮食0.5、1、2、3、6、10天，以及4、8周后的胆汁酸和肠道菌群的变化，发现在高脂饮食刺激下，大量胆汁酸进入肠道，在进食12小时时肠道内胆汁酸浓度达到最高，浓度升高的胆汁酸种类也最多。而此时原有的肠道菌群结构组成尚未发生明显改变。随着胆汁酸的变化，菌群结构在1天后发生剧烈变化，在第3天时丰度发生变化的菌种数目达到最多。这一结果显示高脂饮食后首先引起胆汁酸代谢和分泌的增加，肠道胆汁酸浓度和种类快速升高，而这种变化早于肠道菌群结构的变化。
 

        在比较正常组和高脂组小鼠盲肠中胆汁酸和菌群结构的差异时，我们发现高脂组中胆汁酸浓度显著上升，包括胆酸、鹅去氧胆酸、甘氨结合胆酸（GCA）、牛璜酸结合胆酸（TCA）、牛璜酸结合鹅去氧胆酸、牛璜酸结合去氧胆酸、去氧胆酸、石胆酸、β-鼠胆酸、7-羰基石胆酸的上升。正常组小鼠的肠道菌群结构中，Proteobacteria 丰度占41.91%，Firmicutes 占30.59%，Bacteroidetes 占26.22%，其它丰度较低的包括Verrucomicrobia 0.95%, Deferribacteres 0.12%和Cyanobacteria 0.018%。而高脂组小鼠中，Firmicutes的丰度增加到47.51%，Proteobacteria和 Bacteroidetes的丰度则分别降到34.86%和16.94%，Firmicutes与Bacteroidetes的丰度比值明显升高，这一结果与Jeff Gordon 的发现高度吻合。将胆汁酸和肠道菌丰度作相关性分析时发现，在所检测到的42种胆汁酸中，有33个胆汁酸至少和一个菌种成显著相关性，且与多数的Bacteroidetes和Verrucomicrobia门的菌成负相关，与Firumicutes 和Proteobacteria门的菌成正相关。   
        如果胆汁酸是形成“肥胖型”菌群结构的一个主要因素，那么不用高脂饮食，就胆汁酸本身是否可以模拟出这个“肥胖型”菌群结构，从而具有“增肥”效应？我们做了一个代谢组学实验，在一组小鼠的（正常）饲料中添加胆汁酸（TCA和GCA），结果显示饮食中加入胆汁酸后，小鼠的体重、脂肪重量、肝重、血清胆固醇均显著升高，肠道菌结构则接近于高脂肥胖组的变化趋势。相反地，在另一组高脂饮食小鼠的饲料中加入一种小分子化合物（GW4064）来抑制小鼠胆汁酸合成，减少胆汁酸的代谢和分泌，结果这一组小鼠的体重、脂肪重量、肝重、血清胆固醇均显著降低，肠道菌结构亦有向正常组回归的趋势。这一研究结果为胆汁酸是肠道菌群变化的重要因素提供了直接的证据。

        本研究通过代谢组与肠道菌结构的相关性，发现胆汁酸的变化是形成“肥胖型”肠道菌群结构特征的一个核心因素，揭示了胆汁酸代谢是宿主改变肠道菌群结构的一个重要机制。目前胆汁酸-肠道菌群的相互作用这一领域正备受研究者们的关注，正在为肥胖和代谢性疾病机制以及干预策略的研究提供全新的线索和思路，而对胆汁酸的代谢进行干预和调整很可能成为未来预防和治疗肥胖和糖尿病的有效方法。

参考文献

1. Peter J. Turnbaugh, Ruth E. Ley, Michael A. Mahowald, Vincent Magrini, Elaine R. Mardis，Jeffrey I. Gordon. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature. 2006, 444:1027.
2. Michael A. Mahowald, Federico E. Rey, Henning Seedorf, Peter J. Turnbaugh, Robert S. Fulton, Aye Wollam,Neha Shah, Chunyan Wang, Vincent Magrini, Richard K. Wilson, Brandi L. Cantarel, Pedro M. Coutinho,Bernard Henrissat, Lara W. Crock, Alison Russell, Nathan C. Verberkmoes, Robert L. Hettich,and Jeffrey I. Gordon. Characterizing a model human gut microbiota composed of members of its two dominant bacterial phyla. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 2009, 106 (14): 5859.
3. Purna C. Kashyap, Angela Marcobal, Luke K. Ursell, Samuel A. Smits, Erica D. Sonnenburg, Elizabeth K. Costello, Steven K. Higginbottom, Steven E. Domino, Susan P. Holmes, David A. Relman, Rob Knight, Jeffrey I. Gordon and Justin L. Sonnenburg. Genetically dictated change in host mucus carbohydrate landscape exerts a diet-dependent effect on the gut microbiota. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 2013. 110 (42): 17059.
4. Xiaojiao Zheng, Fengjie Huang, Aihua Zhao, Sha Lei, Yunjing Zhang, Guoxiang Xie, Tianlu Chen, Chun Qu, Cynthia Rajani, Bing Dong, Defa Li, Wei Jia. Bile Acid Is a Significant Host Factor Shaping the Gut Microbiome of Diet-Induced Obese Mice. BMC Biology. 2017, 15(1): 120.