2019-07-29浏览量:158

『锐帮读』你与优秀运动员远隔着一个肠道菌群的差距

高强度运动后往往会出现肌肉酸痛现象,这是因为运动超过了有氧运动强度,导致葡萄糖通过无氧呼吸在体内代谢产生了乳酸,乳酸堆积会引起局部肌肉酸痛,出现乳酸积累后,往往要通过持续有氧运动和热水熏蒸等方法加入乳酸排泄,解除肌肉酸痛。

然而,顶尖运动员,尤其是马拉松运动员,他们有着非凡的耐力,对乳酸积累的阈值比普通人高很多。世界顶级医学期刊Nature Medicine 杂志的一项最新研究表明,顶尖运动员跟我们普通人之间的这种差距,与肠道菌群有着莫大的关系。

 

文献ID

题目:Meta-omics analysis of elite athletes identifies a performance-enhancing microbe that functions via lactate metabolism

译文:对优秀运动员的多组学分析鉴定出通过乳酸代谢发挥功效增强表现的微生物

期刊:Nature Medicine   IF:30.641

发表时间:2019.06

通讯作者:George M. Church

通讯单位:Department of Genetics, Harvard Medical School, Boston, MA, USA

 

材料与方法

实验设计

1、收集2015年波士顿马拉松比赛的15位精英选手比赛前后5天的粪便样本,并将这些样本与来自10名非运动员的粪便样本比较了其中的微生物组成(16S rDNA测序)。

2、从一名运动员中分离出Veillonella atypica菌株,并将其喂给小鼠。与之对照的,给另外一些小鼠喂了并不能代谢乳酸的保加利亚乳杆菌(随机交叉实验)。

3、进一步利用宏基因组分析了87名奥运赛艇选手赛前赛后微生物组成及功能变化。

4、最后该研究给小鼠使用丙酸灌肠,并用灌输生理盐水做对照来证明上述实验发现的现象。

方案设计如下图所示:

 

 

测序区域及平台

16S rDNA:Illumina MiSeq

宏基因组:Illumina HiSeq

 

研究成果

1、运动员运动前后以及与久坐不动的人群菌群的差异

每个运动员运动前5d与运动后5d门水平的菌群变化如图1a所示,Veillonella(韦荣球菌属)是运动前后差异最大的微生物,其随时间的丰度变化情况如图1b所示,为证明Veillonella与马拉松后状态相关,该研究建立了一系列广义线性混合效应模型(GLMMs)来预测马拉松运动员Veillonella的相对丰度(图1c),对GLMM中包含的所有系数进行显著性计算(图1d,Wald Z-tests),结果表明,除以天为单位的时间与马拉松比赛相关外,其他系数均不显著。

 

图1 Veillonella的丰度与马拉松赛跑显著相关

 

2、小鼠实验验证Veillonella有助于动物的运动能力

为评估Veillonella是否有助于动物的运动能力,分别用Lactobacillus bulgaricus(空白组,n=16)与Veillonella atypica(实验组,n=16)交叉灌胃小鼠。L. bulgaricus被用作空白对照主要原因在于它不能分解乳酸,能够模拟细菌负荷,但不影响乳酸代谢;实验组的V. atypica分离于其中一个马拉松运动者。

 

分别给予两种菌灌胃后让小鼠跑步,结果显示,灌胃V. atypica的小鼠跑步时间更持久,比对照组小鼠长了13%(如图2a)。GLMM分析显示顺序效应对跑步时间贡献不显著,而跑步天数及是否用Veillonella处理是显著的(图2b)。

 

图2 V. atypica灌胃小鼠后小鼠运动能力增强

 

3、赛艇运动员赛前赛后菌群及功能变化

为测试上述结果是否具有可重复性,该研究重新招募了一批奥运会赛艇运动员(n=87),并对其赛前赛后的粪便样本进行宏基因组测序。

 

宏基因组分类数据与16S测序结果类似,即运动员赛后肠道菌群中Veillonella丰度上升;而功能分析显示在整个超长马拉松赛艇运动员群体中,存在着一组运动前后相对丰度差异较大的基因家族,该基因家族包含富集甲基丙二酰辅酶A(methylmalonyl-CoA)通路的每一步,能将乳酸转化为丙酸(图3a)。

 

乳酸脱氢酶(负责乳酸代谢的第一步的酶)存在于一个系统遗传多样性的细菌群中(来自NCBI的参考基因组,图3b)。对这些基因组进行比较分析:V. atypica不同于其他微生物,其他微生物能够通过乳酸脱氢酶利用乳酸,但不具备将乳酸转化为丙酸的完整途径(图3c)。

 

图3 运动员运动后乳酸-丙酸代谢功能富集

 

4、Veillonella可将乳酸代谢成丙酸

为证明上述猜想,该研究从运动员粪便中分离出的三株Veillonella菌株(V. parvulaV. disparV. atypica),分别在添加了乳酸的脑心灌注培养基(BHIL,lactate-supplemented brain–heart infusion media)和半合成乳酸培养基(LM,semi-synthetic lactate media)中培养后进行质谱分析,其短链脂肪酸产生量如图4a所示:Veillonella在乳酸充足的条件下可以产生大量的丙酸。

 

这些结果表明,运动后不仅运动员体内的Veillonella增多,其用于乳酸代谢的代谢途径也增多。这一结果提出了一种可能性,即运动过程中肌肉活动所产生的乳酸可能进入胃肠道腔内,并由Veillonella代谢。

 

图4 血清乳酸通过上皮屏障进入肠腔,灌肠丙酸盐可增加运动耐力

 

5、血液中的乳酸可通过肠道屏障进入肠道

那么系统内的乳酸是否能够越过上皮屏障进入肠道腔内呢?为了验证这个可能性, 将带有13C3 的乳酸钠注射到定植V. atypica或者L. bulgaricus的小鼠体内,在注射后12min之后处死小鼠,收集血清、血液、结肠内容物、盲肠内容物(之所以选择这个时间点,是因为该时间点是实验中观察到的血清乳酸水平回归基线水平的最早时间),通过GC-MS检测其13C3标记的乳酸盐(图4b),各位置样本中能检测到乳酸(图4c),但不能够检测到丙酸,可能从注射到处死的12min内还不足以使乳酸通过肠道屏障被肠道Veillonella代谢为丙酸盐。

 

6、运动能力的增强是由于丙酸的作用

丙酸盐已被证明可以提高心率和最大耗氧量,并影响小鼠的血压,以及提高禁食者的休息能量消耗和脂质氧化,为了验证Veillonella使小鼠运动能力增强是否是由于丙酸的作用,该研究给小鼠使用丙酸灌肠(选择灌肠而不是口服是因为结肠吸收为丙酸盐进入体循环提供了更直接的途径,且能够反映veillonella源的丙酸盐的位置),并用灌输生理盐水做对照,结果与喂食Veillonella atypica菌株的小鼠相同,这些使用丙酸灌肠的小鼠的运动时间也明显增加了(图4e)。

 

以上的这些数据构建了运动过程中产生的乳酸在肠道内通过Veillonella的作用代谢成丙酸,而丙酸反过来又促进运动性能的模型。肠道定植的Veillonella可能通过提供另一种乳酸处理方法来补充Cori循环,从而将全身乳酸转化为SCFAs重新进入循环(图4f)。

 

研究结论

顶尖马拉松运动员比赛后,肠道中的Veillonella属细菌迅速增加,Veillonella属细菌专性通过分解乳酸来获取生长所需的碳元素,在这个过程中,会产生丙酸,促进新陈代谢,改善运动表现,将这种细菌喂给小鼠后,小鼠的运动耐力显著提高。

 

亮点

该研究结合菌群与代谢一步一步的剖析了运动员与正常人运动能力差异的原因,阐明了肠道菌群与人体身体健康的息息相关,并且为是否可以通过益生菌来增强人群身体素质提供了新思路。

 

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