2019-07-31浏览量:166

『锐帮读』肠道菌群对饮食中天然甜菜碱的代谢贡献

越来越多的证据表明富含全谷物的饮食对预防几种慢性疾病起着重要的保护作用,如心血管疾病、2型糖尿病、癌症等。与此同时,我们对肠道菌群对人体健康的影响以及饮食如何改变共生细菌组成的认识也在不断增加,但全谷物食物对健康有益的分子机制仍不清楚。已有研究表明在小鼠饮食中添加麸皮会导致小鼠尿液、血浆和组织中甜菜碱复合物含量提高。本研究以全麦谷物的2个不同部分——黑麦麸、麦麸糊(麦麸的最内层)为饲料(二者都含有丰富的膳食纤维和生物活性物质),喂养C57BL/6J小鼠,以基础日粮喂养常规和无菌C57BL/6NTac小鼠,进行16S rRNA基因和代谢组学研究,以确定全麦日粮对小鼠肠道菌群组成的影响及微生物对甜菜碱化合物代谢的潜在贡献。

 

文献ID

原文标题:Contribution of gut microbiota to metabolism of dietary glycine betaine in mice and in vitro colonic fermentation

译名:小鼠肠道菌群通过发酵作用对饮食中甘氨酸甜菜碱的代谢贡献

杂志:Microbiome   IF:10.465

发表时间:2019年

通讯作者:Ville M. Koistinen

通讯单位:东芬兰大学公共卫生和临床营养研究所

 

材料与方法

实验设计

选择74只9周大的C57BJ/6J小鼠,适应环境1周后,其中64只被饲喂高脂饮食(HF组)(D12451),持续喂养9周,诱导肥胖。剩余10只(LF组)被饲喂低脂饮食(D12450B),持续喂养9周。然后将上述64只小鼠随机分成2个对照组(HF,HFLF)和4个实验组(R1、R2、A1、A4),HF组继续饲喂高脂饮食,HFLF组转为饲喂低脂饮食,R1组在高脂饮食中加入未加工的黑麦麸,R2组在高脂饮食中加入经过生物加工的黑麦麸,A1组在高脂饮食中加入未经加工的小麦糊粉,A4组在高脂饮食中加入经过加工的小麦糊粉,所有组持续喂养9周。喂养实验结束后,禁食8±0.5h,处死小鼠,收集组织和肠道内容物样本,-80℃保存直至样本处理检测。另外选择传统无病原体感染(n=5)和无菌(n=5)的C57BL/6NTac雄性10周大的小鼠,饲喂无菌NIH-31饲料,之后收集血液和12种其他组织样本(心脏、肝脏、胰腺、肌肉、十二指肠、空肠、回肠、盲肠、结肠、内脏脂肪组织、皮下脂肪组织、褐色脂肪组织),-80℃保存直至样本处理检测。

 

测序区域及平台

代谢组检测平台:LC-MS

微生物组(16S)检测平台:Illumina Hiseq,V4区

 

表1 小鼠分组信息

 

研究成果

1、全麦麸饮食导致小鼠结肠内容物中甜菜碱化合物含量提高

研究发现与喂食高脂饮食组小鼠相比,喂食全麦麸饮食小鼠的结肠中8种甜菜碱化合物(5-氨基戊酸甜菜碱、丙氨酸甜菜碱、苯丙氨酸甜菜碱、哌啶酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱、葫芦巴碱、色氨酸甜菜碱、缬氨酸甜菜碱)的含量显著升高(图1a),且哌啶酸甜菜碱、苯丙氨酸甜菜碱、色氨酸甜菜碱仅在喂食全麦麸饮食小鼠的肠道中被检测出,后两种化合物仅限于喂食富含黑麦麸的饮食组中(图1a)。

 

图1 全麦饮食小鼠结肠中甜菜碱的水平

 

2、实验组与对照组小鼠肠道菌群组成差异

通过16S测序分析,发现全麦麸饮食组(R1、R2、A1、A4)与对照组(HF、LF、HFLF)小鼠肠道菌群组成没有显著性差异,对照组中的低脂饮食组小鼠肠道菌群构成更接近全麦麸饮食组小鼠(图1b)。

 

RDA分析揭示包括Akkermansia、拟杆菌属、双歧杆菌属、一种未知属以及红蝽菌科、Enterorhabdus科、乳杆菌属、Parasutterella属、瘤胃球菌属在内的微生物群的相对丰度在全麦麸饮食组小鼠体内更高(图2,图3),而Alistipes属、梭菌目、脱硫弧菌属、Mucispirillum属、Odoribacter属和理研菌属的相对丰度在对照组中更高。与富含麦麸糊饮食组相比,富含黑麦麸的饮食导致Alistipes属、脱硫弧菌属、乳球菌属、毛螺菌科、消化球菌科细菌相对丰度显著提高。喂食加工后的小麦糊粉促使AllobaculumParabacteroides两种细菌相对丰度提高,双歧杆菌属、毛螺菌科、乳杆菌属的相对丰度降低。而饲喂加工或未加工的黑麦麸饮食的实验组小鼠中,肠道菌群相对丰度无显著差异。

 

图2 甜菜碱化合物、饮食方式、属水平微生物之间的RDA分析

 

图3 48种微生物及其与甜菜碱化合物、饮食方式相关性热图分析

 

3、α多样性分析

α多样性分析表明,基于小麦糊粉的A1、A4饮食组小鼠盲肠α多样性显著降低,与富含黑麦麸的R1、R2饮食组及高脂饮食组相比(图4)。对照组与富含黑麦麸饮食的实验组相比,α多样性无显著性差异。

 

图4 C57BL/6J小鼠取食不同饮食下的盲肠菌群α多样性分析

 

4、肠道菌群与甜菜碱化合物的相关性

研究发现与全麦饮食有关的小鼠盲肠组织微生物增加与甜菜碱化合物的水平有关,包括5-氨基戊酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱、缬氨酸甜菜碱(图2,3)。此外,5-氨基戊酸甜菜碱水平与双歧杆菌属相对丰度呈显著正相关关系,与Alistipes属、梭菌目、脱硫弧菌属、Mucispirillum属等在内的18种微生物相对丰度呈显著负相关关系(图3)。

 

5、无菌小鼠体内甜菜碱化合物的水平

该研究对来自普通无病原菌感染(MPF)及无菌(GF)C57BL/6NTac雄性小鼠的13种不同组织进行甜菜碱化合物含量检测,结果表明甘氨酸甜菜碱水平在不同组小鼠中没有太大变化,而丙氨酸甜菜碱和5-氨基戊酸甜菜碱水平在无菌小鼠的十二指肠、空肠、回肠、盲肠组织中显著降低(图5a)。两组小鼠中,血浆中5-氨基戊酸甜菜碱水平较低,但其在心脏、肌肉、BAT中的含量较高。

 

6、微生物促进人体肠道模型甜菜碱化合物产生

研究假设肠道菌群可以将甘氨酸甜菜碱转化为其他甜菜碱化合物,为此构建人体肠道模型,添加未加工和经过生物加工的黑麦麸,以阐明化合物的时间依赖性代谢,并评估在小鼠中的观察是否可以应用到人体。来自人体肠道模型发酵后的样本检测结果显示类似的代谢转化可能发生在人体肠道中(图5b)。添加黑麦麸后,甜菜碱化合物24小时内产生,而甘氨酸甜菜碱是在24小时孵育期间水平降低的唯一化合物(图5b)。

 

图5 GF和MPF小鼠盲肠组织中甘氨酸甜菜碱,5-氨基戊酸甜菜碱,丙氨酸甜菜碱及TMAO水平

 

7、全麦面包中甜菜碱化合物的含量

为探究哪些饮食中富含甜菜碱,研究对10份小麦和黑麦样本(含有加工过的或全麦面粉,包括黑麦和小麦粉以及有或没有酵母发酵烘焙的面包)进行检测,结果发现除了甘氨酸甜菜碱外,面包中还含有较低水平的葫芦巴碱、缬氨酸甜菜碱、脯氨酸甜菜碱和其他9种甜菜碱,其含量取决于谷物种类和全谷物含量。5-氨基戊酸甜菜碱、苯丙氨酸甜菜碱和色氨酸甜菜碱值得注意,因为从含有麸皮的全麦面包样本中并没检测到它们存在,表明这几种甜菜碱可能是在摄食后通过微生物合成的。所有小麦样品中几乎都不存在哌啶酸甜菜碱,而异亮氨酸甜菜碱主要存在于全麦面包中。与面包相比,面粉样本中含有较高含量的葫芦巴碱,说明烘焙过程的影响作用。

 

研究结论

该研究发现一组甜菜碱化合物,可通过膳食谷类麸皮增加,且与肠道菌群组成有关。富含麸皮的食物可增加肠道有益菌的相对丰度,同时减少对健康有害的细菌的相对丰度。麸皮作为甘氨酸甜菜碱的来源,可以被代谢成其他甜菜碱化合物,这一过程可能是由被富含麸皮的食物所影响的肠道菌群所贡献的。未来还需通过同位素标记及细菌孵育技术进一步验证甜菜碱在肠道菌群中的代谢途径,此外,甜菜碱化合物维持机体平衡和改善健康的潜力和机制值得继续研究。

 

亮点

1、实验内容丰富,不单纯限定1个实验组和1个对照组;

2、微生物组与代谢组分析相结合。

 

锐翌基因科服产品

锐翌基因科服产品多元化,包括微生物组测序产品(16S/ITS扩增子、宏基因组、宏转录组和单菌基因组)、转录调控产品(原核转录组和真核转录组)和代谢组产品(非靶向代谢组和靶向代谢组),多组学结合分析,有助于高等院校、科研机构或医院的科研工作者多角度、全面的探究和解决科学问题,助力更多优质科研成果发表。

 

 

 

下一篇