蛋氨酸限制饮食对肥胖小鼠代谢的影响及其降脂机理的研究

发布时间：2020-06-25 02:27

【摘要】：肥胖给全球人类健康带来了巨大的挑战。如何有效的预防和控制肥胖的发生和发展已经成为人类急待解决的问题。过去大量的研究表明蛋氨酸限制饮食(MRD)具有减少机体脂肪沉积、增加胰岛素敏感性、改善氧化应激和延长寿命等许多有益于健康的生理作用。然而,MRD对机体系统代谢途径的影响及其减少脂肪沉积的具体机理都还是未知的。本研究拟通过代谢组学结合转录组学、微生物组学、组织形态学以及分子生物学等技术探究MRD对肥胖小鼠系统代谢的影响及其降脂的机理。其中研究方法、主要结果和结论如下:1.基于代谢组学方法探究了MRD对高脂饮食(HFD)小鼠血液、尿液和结肠内容物中代谢物的影响。结果表明,MRD降低了HFD小鼠的体重和体脂率,改善了血脂水平,降低了血浆中脂类( CH_2 ,CH_2C=C,=CCH_2C=)和不饱和脂类的水平,增加了血浆中β-羟基丁酸和乙酰乙酸以及尿液中β-羟基丁酸、乙酰乙酸和丙酮的水平,促进了脂肪分解和脂肪酸氧化代谢;MRD降低了血浆中β-葡萄糖和α-葡萄糖的水平,增加了血浆中柠檬酸以及尿液中乳酸、琥珀酸和α-酮戊二酸的水平,促进了糖酵解和三羧酸循环代谢;MRD增加了氨基酸分解代谢,但是降低了血浆中1-甲基组氨酸和3-甲基组氨酸的水平,减少了肌肉蛋白质的分解代谢;MRD增加了肠道碳水化合物的分解发酵和短链脂肪酸的产生、蛋氨酸等氨基酸的吸收、胆汁酸代谢和胆碱的利用率,降低了三甲胺和乙醇的吸收,改善肠道内环境和组织损伤;MRD降低了血浆中炎症蛋白O-乙酰糖蛋白和N-乙酰糖蛋白、尿液中尿囊素和硫酸吲哚酚的水平以及结肠内容物中尿刊酸的水平,改善了炎症和氧化应激反应。2.基于代谢组学结合转录组学技术探究了MRD对HFD小鼠肝脏代谢途径的影响。结果表明,MRD降低了HFD小鼠肝脏重量和指数、肝脏脂肪空泡面积以及肝脏TG、TC和FFA的水平,抑制了肝脏的脂肪酸合成代谢,促进了脂肪酸氧化、酮体的合成和降解、糖酵解、三羧酸循环和氨基酸分解代谢,增加了氧化磷酸化,减少了肝脏的脂肪沉积;MRD降低了肝脏蛋氨酸和半胱氨酸代谢,增加了牛磺酸和甜菜碱利用,激活了自噬,上调了肝脏蛋白质合成过程中DNA复制、RNA聚合酶、剪接体和核糖体等通路来维持肝脏的蛋白质合成。MRD降低了肝脏嘌呤代谢以及尿囊素和TMAO的产生,增加了血浆和肝脏中T-AOC和H_2S的水平,降低了血浆和肝脏中自由基的水平,改善了肝脏氧化应激;MRD增加了谷胱甘肽代谢、嘧啶代谢、胆汁分泌和初级胆汁酸合成,降低了泛素介导的蛋白水解作用、脂肪细胞因子和衰老相关疾病以及癌症信号通路等;MRD改变了肝脏中许多miRNA的表达,这些差异表达的miRNA调控的靶基因主要涉及调控脂肪酸合成、白色脂肪组织棕色化、自噬、糖酵解、三羧酸循环、硫化氢产生、炎症、心肌损伤和衰老等相关的代谢通路。3.采用10周HFD诱导小鼠肥胖模型,探究MRD对肥胖小鼠肝脏脂代谢、自噬以及脂肪组织棕色化的影响。结果表明,MRD降低了肥胖小鼠的体重、血脂水平、肝脏重量、肝脏脂肪浸润面积以及肝脏TG和TC的水平,下调了肝脏脂肪合成代谢过程中关键基因(SREBP-1c、FAS、ACC-1和SCD1)和蛋白(FAS)的表达,上调了肝脏脂肪分解代谢过程中关键基因(CrAT、FABP、PPARα、CPT-1、MCAD、FATP1、Acox-1、HSL、LPL、PKA、PerilipinA、ATGL、CYP7A1和CD36)和蛋白(HSL和p-HSL)的表达,进而降低了脂肪合成代谢,增加了脂肪分解代谢,减少了肝脏脂肪沉积;MRD降低了肥胖小鼠体脂和体脂率、iWAT和BAT的重量和脂肪细胞的体积,促进了iWAT和BAT中棕色化的标志性基因UCP1、PGC-1α、Prdm16和Cidea的表达以及UCP1蛋白的表达,促进了脂肪组织棕色化,降低了机体脂肪沉积;MRD上调了肝脏自噬标志性基因(LC3A、LC3B、Atg4b、Atg7、ULK1、ULK2、Fip200、Beclin1、Lamp2α、Gabarap、Gabarapl1、Atg5、Atg8和Atg12)的表达、自噬标志物LC3B蛋白的表达、LC3BII/LC3BI的比值和Beclin1蛋白的表达,下调了mTOR和p62蛋白的表达,明显增加了肝脏细胞的细胞质中自噬空泡的数量,促进了肝脏自噬;MRD可能通过上调肥胖小鼠肝脏SIRT1-自噬和SIRT1-FGF21通路的表达,促进了肝脏脂代谢和脂肪组织棕色化,进而减少了肝脏和机体的脂肪沉积;肥胖小鼠在MRD干预的条件下,肝脏蛋白质的比例增加,肌肉总量保持不变。4.采用给饲喂MRD的肥胖小鼠腹腔注射自噬抑制剂氯喹(CQ)来验证MRD是否通过激活自噬减少了肥胖小鼠肝脏的脂肪沉积。结果表明,注射CQ增加了MRD小鼠肝脏LC3B基因和蛋白的表达以及LC3BII/LC3BI的比值,下调了mTOR蛋白的表达,上调了Beclin1蛋白的表达,但是却导致了肝脏中p62蛋白以及自噬空泡的积累,抑制了MRD小鼠肝脏自噬;CQ增加了MRD小鼠血脂水平、增加了肝脏重量和指数、肝脏脂肪浸润面积以及肝脏TG和TC的水平,上调了肝脏脂肪合成代谢过程中关键基因和蛋白的表达,下调了肝脏脂肪分解代谢过程中关键基因和蛋白的表达,进而增加了脂肪合成代谢,降低了脂肪分解代谢,导致了肝脏脂肪沉积增加;这些结果证明了MRD通过促进自噬减少了肥胖小鼠肝脏脂肪沉积。CQ降低了MRD小鼠的体脂和体脂率、iWAT和BAT的重量和脂肪细胞体积,上调了MRD小鼠iWAT中UCP1、PGC1-α和Prdm16基因以及BAT中UCP1和PGC1-α基因的表达,也上调了iWAT和BAT中UCP1蛋白的表达,促进了脂肪组织棕色化,减少了机体脂肪沉积;CQ抑制了自噬,可能导致了SIRT1-FGF21通路的过表达,促进了MRD小鼠脂肪组织棕色化,进而降低了MRD小鼠体脂和体脂率,说明了MRD促进脂肪组织棕色化不是通过激活自噬实现的,而可能是通过促进肝脏FGF21的表达和分泌实现的;CQ抑制了自噬,导致了肝脏蛋白质含量的减少,也引起了机体肌肉总量的减少,说明了在MRD条件下激活自噬是肝脏蛋白质和机体肌肉总量保持不变的必要条件。5.研究MRD对肥胖小鼠肠道菌群的影响,并通过粪菌移植实验探究移植MRD小鼠的粪菌对肥胖小鼠肠道菌群、肝脏自噬和脂代谢以及脂肪组织棕色化的影响。结果表明,MRD增加了肥胖小鼠盲肠内容物中有益菌Bifidobacterium、Lactobacillus、Faecalibaculum以及产丁酸菌Lachnospiraceae_NK4A136_group、Roseburia、Rikenellaceae_RC9_gut_group和Subdoligranulum的丰度以及降低有害菌Helicobacter和Erysipelatoclostridium的丰度,增加了盲肠中短链脂肪酸的产生。移植MRD小鼠的粪菌降低了肥胖小鼠的体重和血脂水平;移植MRD小鼠的粪菌增加了肥胖小鼠盲肠内容物中Bifidobacterium以及丁酸产生菌Lachnospiraceae_NK4A136_group、Roseburia、[Ruminococcus]_torques_group和Intestinimonas的丰度,增加了短链脂肪酸,特别是丁酸的产生;移植MRD小鼠的粪菌增加了肝脏LC3BII/LC3BI比值和Beclin1蛋白的表达,降低了mTOR和p62蛋白的表达,明显增加了肝脏细胞的细胞质中自噬空泡的数量,激活了肝脏自噬通路;移植MRD小鼠的粪菌降低了肥胖小鼠肝脏的重量、肝脏脂肪浸润面积比以及肝脏TG和TC的水平,下调了肝脏脂肪合成过程中关键蛋白FAS以及关键基因SREBP-1c、ACC-1和SCD1的表达,上调了肝脏脂肪分解过程中关键蛋白HSL和p-HSL以及关键基因PPARα、LDL和CYP7A1的表达,也降低了血浆中脂类( CH_2 )的水平,增加了血浆中乙酰乙酸和β-羟基丁酸的水平,表明了移植MRD小鼠的粪菌抑制了肥胖小鼠肝脏脂肪合成代谢,促进了肝脏脂肪分解代谢,减少了肝脏脂肪沉积;移植MRD小鼠的粪菌降低了iWAT和BAT的重量以及脂肪细胞的体积,上调了iWAT和BAT中UCP1基因和蛋白的表达,促进了脂肪组织棕色化;移植MRD小鼠的粪菌上调了肥胖小鼠肝脏SIRT1-自噬通路,促进了肝脏自噬和脂代谢,减少了肝脏脂肪沉积;移植MRD小鼠的粪菌上调了肝脏SIRT1-FGF21通路,增加了FGF21的合成和分泌,促进了脂肪组织棕色化,减少了机体脂肪沉积。其中丁酸及其产生菌Lachnospiraceae_NK4A136_group和Roseburia在这些过程中可能起着至关重要的作用。综上所述,MRD通过重塑肠道菌群促进了肥胖小鼠肝脏自噬和脂代谢以及脂肪组织棕色化,进而减少了肥胖小鼠肝脏和机体的脂肪沉积。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS201.4;TS201.2
【图文】：

江南大学博士学位论文从第三周开始体重极显著高于 ND 组小鼠（P<0.01）。与 HFD 组小鼠相比，MRD 组小鼠体重从干预的第二周开始显著降低（P<0.05），第三周极显著降低（P<0.01），且在整个实验周期内几乎能一直保持与 ND 组小鼠相似的体重增长趋势。第 22 周结束时，与ND 组小鼠相比，HFD 组小鼠体重增加量极显著增加（P<0.01），采食量显著降低，能量摄入显著增加，蛋氨酸摄入量显著降低（P<0.05）；与 HFD 组小鼠相比，MRD 组小鼠体重增加量极显著降低（P<0.01），采食量和能量摄入极显著增加，蛋氨酸摄入量极显著降低（P<0.01）。

图 2-2 MRD 对 HFD 小鼠体脂率和血脂水平的影响Figure 2-2 Effects of MRD on body fat rate and plasma lipid levels in HFD mice注：ND：正常饮食组；HFD：高脂饮食组；MRD：蛋氨酸限制+高脂饮食组。（A）代表性的三个实验组小鼠 Micro-CT 扫描图；（B）MRD 对 HFD 小鼠体脂率的影响；（C）代表性的三个实验组小鼠外观照片图；（D）MRD 对 HFD 小鼠体长的影响（体长等于小鼠鼻尖到肛门的距离）；（E）MRD 对HFD 小鼠血浆 TG 水平的影响；（F）MRD 对 HFD 小鼠血浆 TC 水平的影响；（G）MRD 对 HFD 小鼠血浆 LDL-C 水平的影响；（H）MRD 对 HFD 小鼠血浆 HDL-C 水平的影响；（I）MRD 对 HFD 小鼠血浆 FFA 水平的影响。*表示与 ND 组相比有显著性差异（P<0.05），**表示与 ND 组相比有极显著性差异（P<0.01）；#表示与 HFD 组相比有显著性差异（P<0.05），##表示与 HFD 组相比有极显著性差异（P<0.01）。2.4.3 MRD 对 HFD 小鼠 RER、能量支出和活动量的影响如图 2-3 所示，ND 组小鼠的 RER 值在 1.0 左右波动，说明其主要供能物质是碳水化合物；HFD 和 MRD 组小鼠的 RER 值在 0.7-0.80 之间，说明其主要供能物质是脂肪。与 ND 组小鼠相比，HFD 组小鼠白天和黑夜的 RER 值极显著降低，黑夜的能量支出极显著降低（P<0.01）；与 HFD 组小鼠相比，MRD 组小鼠白天和黑夜的能量支出和自主活动量显著增加（P<0.05）。

本文编号：2728727