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科研动态

Cell Metabolism: 通过塑造肠道菌群,间断性禁食可缓解肥胖及代谢综合征
发布时间:2018-05-17 17:01   点击率:

导读

肥胖及相关代谢紊乱正日益成为挑战西方国家的健康问题,这些疾病主要由能量摄入与消耗的不平衡导致。最近,间歇性禁食被证明能优化能量代谢和促进健康,然而其机制尚不清楚。一项研究发现,在不减少能量摄入的情况下,限时喂养可以对抗肥胖。虽然扰乱昼夜节律被认为是增加能量消耗的重要因素,但白色脂肪棕色化可能是更直接的机制。本研究中发现EODF疗法(every-other-day fasting,隔日禁食)可以选择性地诱导白色脂肪组织棕色化,形成米色脂肪组织,进而改善小鼠的代谢紊乱。其中,肠道菌群介导了EODF对白色脂肪组织棕色化和代谢改善的影响。
 
  
小科普
白色脂肪组织(WAT),广泛分布在体内皮下组织和内脏周围,是体内最大的“能源库”。 其主要功能是将体内过剩的能量以中性脂肪的形式储存起来,以供机体需要时使用,是体内脂肪的主要储存形式。
棕色脂肪组织(BAT)的主要功能是产热,其产热能力为肝脏的60倍。当机体交感神经兴奋时,如运动或处于低温环境,白色脂肪会发生棕色化,转变成米色脂肪组织(beige adipocytes,或称诱导性棕色脂肪组织iBAT),同棕色脂肪组织一样米色脂肪组织也具有产热功能。
白色脂肪组织(WAT)棕色化/米黄化就是白色脂肪组织转化为米色脂肪组织的过程。
 
 
 
文献ID
题目 : Intermittent Fasting Promotes White Adipose Browning and Decreases Obesity by Shaping the Gut Microbiota
译名:通过塑造肠道菌群,间断性禁食促进白色脂肪棕色化并减少肥胖
期刊:Cell Metabolism
年份:2017          IF= 18.164
通讯作者:Christopher J. Stewart
通讯单位:美国国立卫生研究院国家癌症研究所
 
 
材料与方法
实验设计
AL处理: 
自由进食组,不限制小鼠进食。
EODF处理:
隔日禁食组,一个实验周期为2天(48 h),24 h自由进食(feeding state),24小时禁食(fasting state)。
 
实验一:
适应实验环境 分组
正常喂食小鼠2周 AL组
EODF组,15个周期或3个周期
 

实验二:
适应实验环境 造肥胖模型 分组
高脂饮食喂食小鼠2周 高脂饮食,自由进食3个月, DIO肥胖模型 AL组
EODF组,15个周期
 

实验三:
适应实验环境 分组
30℃下喂养1天 AL组,30℃
EODF组,30℃,15个周期
注:每天测量体重、食物摄入量。
 
测序区域及平台
16S rDNA V4区,Illumina Miseq 测序平台 
 
 
研究成果
一、EODF通过非颤抖性产热作用增加能量消耗
为了确定EODF引起的能量稳态的适应性代谢变化,首先分析了15个周期的EODF对小鼠体重的影响。与AL组相比,EODF不影响累积食物摄入量((图1A),但减少了体重增加(图1B),表明EODF小鼠的代谢吸收效率更低和/或能量消耗更高。EODF显著降低了脂肪质量,确切地说降低了附睾白色脂肪组织质量;然而没有改变瘦肉质量,还稍微增加了棕色脂肪组织质量(图1C)。这些数据表明,EODF治疗可以促进自适应的非颤抖性产热和脂肪燃烧。EODF小鼠的昼夜体温(直肠测量)高于AL组(图1D),总能量消耗也是如此(图1E和S1),这表明,EODF小鼠额外摄入的能量以热量的形式释放。在一个EODF循环中,对全身呼吸交换比率(RER)进行分析。在第一天(禁食日),EODF小鼠的RER显著低于AL小鼠,约等于0.7(图1F和S1B),表明主要利用脂质作为能源燃料。尽管第2天(喂食日)EODF小鼠的RER更高;在整个EODF周期中,EODF的平均RER比AL(图1F和S1B)要低。这些结果表明,增加使用脂质而非碳水化合物,是EODF小鼠能量消耗增加的原因。因此,EODF治疗似乎有利于脂肪燃烧。

图1. EODF治疗通过白色脂肪组织棕色化增加能量消耗
 
 
二、EODF选择性地诱导腹股沟白色脂肪组织棕色化,而非激活棕色脂肪组织
非颤抖性产热主要由激活棕色或米黄色脂肪细胞介导。虽然以上数据显示,EODF小鼠的棕色细胞组织质量稍有增加(图1 C),但Ucp1的表达量被显著抑制,而其他产热的基因(如Pgc1a和Dio2)在AL组和EODF组中都没有上调。
 
EODF诱导腹股沟WAT发生了明显的褐变,如组织颜色(图1G)和UCP1表达(图1H和1I)。EODF小鼠腹股沟WAT的组织学分析,清楚地显示了多小叶脂肪细胞(图1I)的显著增加,这是米黄色脂肪细胞的典型特征。EODF治疗3个周期后,腹股沟白色脂肪组织发生了明显棕色化,表现为Ucp1 mRNA表达显著增加(图S5A),此时体重和能量消耗还没有明显改变。表明EODF对能量消耗和体重减轻的影响是发生在白色脂肪组织棕色化之后的。
 
EODF诱导的高能量消耗机理可能与冷暴露不同,冷暴露的高能量消耗机理与β-AR信号密切相关。目前的数据表明,EODF诱导的棕色化独立于β-AR信号通路。在30℃下进行AL和EODF处理。30℃下,EODF仍然可以减少小鼠体重、脂肪质量、诱导腹股沟白色脂肪组织棕色化(图2A-2E)。

图2. EODF诱导的腹股沟白色脂肪组织棕色化过程不依赖与β-AR及FGF2a信号通路
 
 
三、EODF诱导的白色脂肪组织棕色化过程独立于FGF21信号
除了β-AR信号外,FGF21是另一个调控WAT棕色化和自适应禁食反应的信号激素。然而EODF之后,WAT中FGF21表达量、相应受体表达水平没有改变(图2F和2G)。与AL处理的Ppara-/-小鼠相比(PPARa是肝脏FGF21的关键调控因子),EODF确实会导致腹股沟WAT Ucp1 mRNA表达量增加,指示WAT棕色化表现(图2H)。综上所述,EODF诱导的腹股沟WAT棕色不需要FGF21。
 
 
四、肠道菌群介导了EODF诱导的白色脂肪组织棕色化过程
EODF增加了小肠的长度(图3A),且UniFrac聚类分析显示EODF明显改变了微生物组成(图3B)。层次聚类也显示EODF对肠道微生物有影响(图3C)。EODF显著改变了Firmicutes、Bacteroidetes、Actinobacteria和Tenericutes门的相对丰度(图3D和3E)。EODF增加了Firmicutes的丰度,减少了其他大多数门的丰度(图3E)。EODF组Firmicutes:Bacteroidetes比例从3.4增加到8.9倍。以往研究Firmicutes:Bacteroidetes比例升高,与腹股沟WAT葡萄糖摄入增加相关,而与肩胛间BAT无关。这些数据与以往研究一致:EODF选择性地诱导腹股沟WAT棕色化。
 
为了研究EODF诱导的微生物变化是否直接导致WAT棕色化,将EODF组和AL组小鼠的肠道菌群粪便移植给抗生素处理(清除了肠道微生物)的小鼠。与AL组相比,移植EODF微生物的小鼠,腹股沟内WAT Ucp1 mRNA表达显著增加,小肠的长度增加,WAT棕色化(图 3A,3F)。对抗生素处理小鼠进行EODF治疗,没有成功诱导棕色化。当肠道菌群耗尽时,EODF对几种代谢功能指标的有利影响也有所降低。这些发现提示EODF对腹股沟WAT棕色化诱导可能是由肠道菌群介导的。
 
图3. 肠道菌群介导了EODF诱导的WAT棕色化过程
 
为了进一步确定肠道菌群对EODF诱导棕色化的潜在机制,对长期和短期的EODF处理小鼠盲肠内容上进行了代谢组学检测。OPLS-DA分析显示,EODF治疗后许多代谢产物发生了变化,包括乙酸盐、乳酸盐、甲酸盐、胆汁酸、丙酸盐、琥珀酸盐、胞苷酸(CMP)和黄嘌呤,三甲胺(TMA)、尿嘧啶和一些氨基酸(分支链氨基酸、甘氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸)丰度显著降低(图4A和4B)。无论是长期还是短期EODF处理都增加了乙酸酯和乳酸盐含量,EODF治疗也提高了血清乙酸盐和乳酸水平(图4C和4D)。
 
此外宏基因组分析发现EODF上调了乳酸杆菌、某未知菌的“丙酮酸到乙酸酯、乳酸盐发酵”途径。最近的研究表明乙酸盐和乳酸盐都是棕色化的诱导剂。BAT和WAT的Mct1基因表达的MCT1蛋白,可驱动乙酸盐和乳酸盐穿过脂肪细胞的细胞膜。在长期或短期EODF处理小鼠中发现腹股沟WAT选择性上调Mct1基因表达,但BAT细胞中没有。在抗生素处理小鼠体内没有Mct1基因上调、血清乙酸盐和乳酸研究水平变化的现象,而移植了EODF微生物后又恢复了。
 
综上所述,EODF主要改变肠道菌群的组成,以促进乙酸盐和乳酸盐的生成,进一步诱导腹股沟WAT棕色化。此外,无论是温度较高环境还是缺乏PPARa都不能废除EODF的影响(图2A),说明EODF的作用是独立于b-AR或PPARa信号通路的,但和肠道菌群相关。
 
图4. 微生物代谢物是EODF诱导棕色化机制的基础
 
 
五、EODF改善肥胖小鼠的代谢综合征
因为激活米色脂肪细胞可以抑制肥胖和代谢综合征,本文又探索了EODF治疗对饮食引起肥胖的效果。将高脂饮食喂养3个月的小鼠用于AL或EODF处理,15个周期。与AL小鼠相比,EODF小鼠体重显著降低,两者在食物摄入量没有区别(图5A和5B),EODF小鼠体重显著下降,且与EODF周期数相关(图5C)。与以上数据相结合,EODF上调了瘦小鼠Glut4 mRNA的表达量,也增加了腹股沟WAT中 Glut4 mRNA的表达量,进而提高DIO小鼠的胰岛素敏感性(图5D 和5E)。此外EODF小鼠肝脂肪变形、损失标记物都明显改善了(图5F)。EODF导致腹股沟脂肪质量降低明显,且高于附睾脂肪的降低(图5G)。EODF可以差异性地影响内脏和皮下脂肪储。EODF处理后,DIO小鼠中腹股沟WAT的Ucp1和Pgc1a mRNA上调,而非BAT(图5D 和5H)。编码β-AR和FGF21信号相关受体的mRNA没有改变(图5D)。这些结果说明,EODF诱导WAT棕色化,可能导致EODF对DIO小鼠肥胖相关代谢综合征有改善作用。
图5. EODF可以改善DIO小鼠的代谢综合征
 
 
六、肠道微生物促进EODF对DIO小鼠的有效作用
为了进一步确认肠道微生物在EODF处理中对代谢综合征的作用,比较EODF对DIO小鼠及抗生素处理DIO小鼠的效果。EODF处理显著降低DIO小鼠的肥胖、肝脂肪变性,提高胰岛素敏感性,但对抗生素处理小鼠没有这些效果(图6A-6G),说明EODF的效果依赖于肠道微生物。分别将AL和EODF小鼠的肠道微生物移植给抗生素处理的DIO小鼠。与移植AL微生物组相比,移植EODF微生物的DIO小鼠确实重复了EODF治疗对代谢功能障碍的所有有益作用(图6A-6H);小鼠也发生了类似EODF诱导的腹股沟WAT棕色化过程,而抗生素处理小鼠中没有类似现象(图7A)。EODF微生物移植给DIO小鼠后,可以促进WAT Ucp1 mRNA和UCP1蛋白表达,提高多叶脂肪细胞数量,在低呼吸交换比率下增强能量消耗(图7B-7F)。EODF诱导提高血清醋酸盐、血清乳酸盐,抗生素处理以后会消除腹股沟WAT Mct1 mRNA的上调情况,但移植EODF微生物又可以恢复(图7A、7B、7G、7H)。这些结果强调了肠道微生物在EODF疗法诱导WAT棕色化及后续代谢综合征列改善的重要作用。
 
图6. 肠道微生物介导了EODF对DIO小鼠代谢综合征的作用


 
 
图7 肠道微生物介导了DIO小鼠中,EODF对腹股沟WAT棕色化的作用
 
 
研究结论
本研究发现隔日禁食(EODF)疗法可在白色脂肪组织中选择地刺激脂肪棕色化,并显著改善肥胖、胰岛素抵抗和肝脂肪变性。EODF治疗会改变肠道菌群组成,导致发酵产物乙酸盐和乳酸盐的升高,选择性上调棕色化细胞的单羧酸盐转运蛋白1。抗生素处理的小鼠(肠道内微生物含量极低)对EOPD诱导的棕色化具有抗性,将EODF处理小鼠肠道菌群移植给抗生素处理的小鼠后可激活棕色化、改善代谢稳态。这些发现为激活白色脂肪组织棕色化和治疗代谢疾病提供了新的肠道微生物驱动机制。
 
 
亮点
实验设计方面,巧妙地利用时间轴、粪菌移植、抗生素处理清除肠道微生物等方法,证明了肠道菌群在EODF治疗肥胖及代谢综合症中的关键作用。在宏基因组分析方面,结合物种、代谢通路分析,初步探讨的EODF通过改变肠道菌群结构治疗肥胖及代谢综合症的机制,本文可以作为肠道菌群机制研究的经典案例学习。
 
 
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