以肠道菌群为靶点的膳食干预改善儿童遗传性肥胖及相关代谢失调的研究

发布时间：2020-06-11 04:59

【摘要】：近几十年来,肥胖、非酒精性脂肪肝和糖尿病等代谢性疾病在全球范围内呈爆发性流行。饮食和遗传是参与肥胖等代谢性疾病发病的两个重要因素。近期的研究发现,肠道菌群是膳食引起的肥胖及相关代谢性疾病的重要驱动因子。然而肠道菌群是否也参与了遗传性因素导致的肥胖的发生发展?以肠道菌群为靶点的膳食干预是否可以改善遗传性肥胖?膳食干预通过改变肠道菌群影响代谢表型的机制是什么?这些依然是困扰科学家的问题。普拉德-威利综合征(Prader-Willi syndrome,PWS)是一类由于父源十五号染色体15q11.2-q13的缺陷导致的人类遗传缺陷疾病,可导致暴食症和早发性的重度肥胖。本研究中,我们以PWS肥胖儿童为主要研究对象,通过以肠道菌群为靶点的膳食干预临床试验和无菌动物菌群移植实验,对膳食、肠道菌群与遗传性肥胖的关系和可能的分子机制进行了探索。我们首先对17名患有PWS的肥胖儿童和21名单纯性肥胖(simple obese,SO)儿童分别进行了为期3个月和1个月的自身对照膳食干预试验。以全粮、中医药食同源食品和益生元为核心的膳食,既满足了儿童阶段人体自身的营养需求,也为肠道菌群提供了丰富的膳食纤维。对所有肥胖儿童的生理生化指标进行分析发现,与单纯性肥胖一样,膳食干预对遗传性肥胖也可以起到显著的改善作用。所有肥胖儿童在膳食干预后体重显著降低,脂代谢、糖代谢和肝脏功能均显著好转。同时,血清中表征内毒素载荷的脂多糖结合蛋白,脂肪因子瘦素和与炎症相关的指标如C反应蛋白、白细胞计数、血清淀粉样蛋白和alpha酸性糖蛋白均在干预后显著下降,抗炎因子脂联素则在干预后显著升高。此外,膳食干预也显著改善了PWS儿童的食欲亢进。对所有肥胖儿童干预前后的肠道菌群16S rRNA基因的V1-V3区进行454焦磷酸测序发现,膳食干预前,PWS和SO儿童之间的肠道菌群结构没有显著差异;膳食干预可以显著改变两组人群肠道菌群的结构,并在膳食干预后具有相同的变化趋势;两类人群干预后的菌群结构也没有显著差异。Procrustes分析发现膳食干预后肠道菌群的结构变化与肥胖儿童整体代谢表型的改善显著相关。此外,肥胖儿童膳食干预后粪便中碳水化合物的主要发酵产物乙酸占总短链脂肪酸的比例显著增加,蛋白质的发酵产物异丁酸和异戊酸的比例则显著降低。上述结果提示我们肠道菌群在人类遗传性因素导致的肥胖的发生发展中起到可能与单纯性肥胖类似的贡献作用。随后,我们将一名PWS儿童干预前、后的菌群分别接种给雄性野生型C57BL/6J无菌小鼠,建立人源菌群的悉生小鼠动物模型并给予正常饲料喂养四周,以排除遗传和膳食因素对肥胖表型的直接影响并探索肠道菌群自身对宿主代谢表型的影响。结果发现,与干预后的菌群相比,接种该名PWS儿童干预前的菌群首先引起悉生小鼠体重的显著下降,并且在菌群移植两周后引起了更高水平的血清内毒素载荷和肝脏、肠道以及全身水平的炎症反应;而菌群移植四周后,接种干预前菌群的小鼠的体重虽然回升至接种前的水平但仍显著低于接种干预后菌群的小鼠,炎症反应减轻并与接种了干预后菌群的小鼠并无显著差异。虽然在菌群移植两周后没有显著差异,菌群移植四周后接种干预前菌群的小鼠的全身各脂肪垫重量、附睾脂肪细胞面积、脂肪肝指数、肝脏甘油三酯和胆固醇浓度均显著高于接种了干预后菌群的小鼠,表明干预前的菌群促进了脂质在脂肪组织和肝脏中的积累,引起了小鼠的肥胖和非酒精性脂肪肝。对PWS供体和受体小鼠的肠道菌群16S rRNA基因的V3区进行高通量测序发现,悉生小鼠的肠道菌群结构在菌群移植后保持稳定并且与各自对应供体的肠道菌群结构更为相似。使用随机森林模型鉴定出区分两组小鼠肠道菌群结构的45个关键OTU,其中有38个在供体和其对应受体中具有一致的丰度变化趋势:其中6个OTU在干预后的PWS供体及其受体中均升高,主要包括来自Bifidobacterium和Lactobacillus属的OTU;32个OTU在干预后的PWS供体及其受体中均降低,包括来自Bacteroides,Parabacteroides,Ruminococcus和Bilophila等属的OTU。此外,与接种干预前菌群的小鼠相比,接种干预后菌群的小鼠盲肠中乙酸的相对比例也显著升高,异丁酸和异戊酸则几乎检测不到。说明供体的肠道菌群在整体结构、OTU水平上的特征和短链脂肪酸的组成比例均可以通过菌群移植传递给受体小鼠。通过RNA-seq对悉生小鼠的肝脏和结肠转录组进行分析发现,两组小鼠转录水平上的差异主要表现在菌群移植两周后,其中在肝脏中主要体现在脂代谢水平的差异,而结肠中主要体现在炎症反应的差异,而至四周时两组间的差异基本消失。菌群移植两周后,接种了干预前菌群小鼠的肝脏中与脂质合成相关的功能如脂质吸收,胆固醇摄入和类固醇的合成被显著激活,而与脂质分解相关的功能如脂肪酸氧化、脂质氧化、脂肪酸代谢则被显著抑制,说明肠道菌群可能是通过在转录水平对脂代谢进行调控影响脂质积累。脂代谢中关键的调节因子过氧化物酶体增殖物激活受体ɑ(PPARɑ)在接种了干预前菌群的小鼠的肝脏和结肠中在RNA和蛋白水平上的表达均被抑制,其和其下游与脂代谢相关的基因可能在两组小鼠的脂质代谢中起到关键的调节作用。综上所述,本研究发现以肠道菌群为靶点的高纤维膳食可以显著改善不同初始驱动因素导致的肥胖,临床表型的改善与肠道菌群的变化显著相关。通过建立人源菌群悉生动物模型排除了遗传和饮食因素后,仅仅是失调的菌群就可以诱导宿主肥胖和非酒精性脂肪肝的发生,可能是通过在转录水平调节肝脏脂代谢实现的。本研究进一步揭示了肠道菌群在肥胖及相关代谢失调的发生发展中的贡献作用,在转录组水平对相关的代谢通路进行了探究。同时也为肥胖的控制和治疗提供了新的策略和理论依据。
【图文】：

全球,女性,男性,年龄

2图 1.1 1975 年到 2014 年全球各国男性（左）和女性（右）的平均 BMI（根据年龄正）。[1]Figure 1.1 Age-standardised mean BMI in men and women by country in 1975 and 201

肥胖人,全球,女性,男性

图 1.2 1975 年和 2014 年全球男性（左）和女性（右）肥胖人数最多的 10 个国家[1]。Figure 1.2 Ten countries with the largest number of obese men and women in 1975 and14. Colours for each country indicate its region obesity (BMI 30 kg/m2) BMI=body-massindex.身体质量指数（body mass index, BMI）是目前临床最为常用的肥胖程度的
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R723.14

【参考文献】