饮食是影响宿主营养和代谢的重要因素，摄入过多饮食会引起能量平衡失调导致肥胖。高脂肪饮食(HFD)诱导肥胖过程中肠道微生物组成也发生变化以致微生物多样性降低和特定细菌类群出现变化。而肠道菌群也可通过调节饮食影响，从而改善宿主代谢情况。富含omega-6多不饱和脂肪酸（PUFA）的饮食结构会增加导致肥胖症和相关疾病。尽管饮食中PUFA的肠道菌群相关代谢途径已有了解，但宿主-中间代谢物生理功能-肠道菌群之间的关系尚不清楚。日本东京农工大学Ikuo Kimura等研究人员发现肠道微生物群通过产生PUFA代谢物，使宿主对HFD诱导的肥胖产生抗性，相关研究成果发表于《Nature Communications》。
食物来源多不饱和脂肪酸(PUFA)衍生的肠道菌群代谢物
肠道菌群可将多不饱和脂肪酸代谢为各类脂肪酸，盲肠内容物代谢组学检测结果显示，亚油酸（LA）相关代谢物水平普遍高于亚麻酸(αLA)相关代谢物，且10-羟基-顺式-12-十八碳烯酸（HYA）、10-羟基十八烷酸（HYB）、10-羟基-反式-11-十八碳烯酸（HYC）、10-氧-顺式-12-十八碳烯酸（KetoA）、10-氧-十八烷酸(KetoB)、10-氧-反式-11-十八碳烯酸（KetoC）等LA相关代谢物水平在HFD组（高脂饮食2周）中则出现显著降低(图1a)。然而，HFD组补充LA则增加了盲肠中HYA(源于LA的肠道菌群代谢物)和KetoA水平。
同时，NC和HFD喂养的无菌小鼠(GF)中所有代谢物水平都显著降低(图1b)。16S rRNA结果表明，HFD组补充LA也改变了相关肠道菌群门水平相对丰度。HFD组厚壁菌门（Firmicutes）丰度显著增加，拟杆菌门（Bacteroidetes）丰度显著降低；然而，通过补充LA后Firmicutes丰度出现降低（图1c）。菌群科水平分析发现，HFD与Firmicutes属乳杆菌科丰度大大降低有关，补充LA使得乳杆菌科丰度增加（图1e）和乳杆菌属显著扩充（图2a）。通过体外菌群培养筛选研究与乳杆菌属中产生HYA相关的的菌种。22株乳酸杆菌中唾液乳杆菌（L. salivarius）和加氏乳杆菌（L. gasseri）可将LA代谢成HYA，而嗜酸乳杆菌（L. acidophilus）和约氏乳杆菌（L. johnsonii）则产生很少的HYA。HFD组L. salivarius和L. gasseri丰度均降低，而补充LA后，两者均显著增加（图2b），而作为不产生HYA的L. acidophilus）和L. johnsonii补充LA后并无显著变化。此外，HFD组中一种肠道菌LA关键代谢酶Cla-hy表达被抑制，但通过LA补充可以减轻这种抑制作用，而Cla-dh和Cla-er水平没有显著变化（图2c）。这些发现表明，HFD改变肠道菌群的组成并抑制PUFA代谢产物的生成，补充PUFA则可以恢复乳酸杆菌丰度和肠道微生物PUFA-代谢物HYA的水平。
PUFA代谢产物改善宿主代谢状况
对PUFA代谢产物调节HFD诱导的肥胖小鼠模型宿主能量的影响进行检测分析。HYA是膳食LA的肠道微生物初始代谢产物。4周龄小鼠分别用HFD（对照组）、HFD补充1％HYA（HYA组）、HFD补充1％LA（LA组）饲养12周。HYA组体重、白色脂肪组织（WAT）脂肪量、WAT脂肪细胞大小明显低于对照组和LA组（图3a，3b，3c），HYA组与LA组食物摄入量显著低于对照组小鼠（图3d）。与对照组和LA组小鼠相比，HYA组胰岛素耐受试验（ITT）和葡萄糖耐受试验（GTT）结果表明HFD诱导的胰岛素抵抗和糖耐量受损程度均显著减弱（图3e，f）。此外，HYA组血浆葡萄糖和总胆固醇水平显著低于对照组（图3g，h），而血浆肽YY（PYY）水平、血浆GLP-1水平明显高于对照组。这些发现表明，补充HYA可抑制食欲并改善代谢状况，从而对HFD诱导的肥胖产生更强的抵抗力。此外，补充 0.5％HYA（相当于NC喂养的小鼠盲肠中HYA生理浓度）结果与补充1％HYA结果类似。
PUFA代谢产物和脂肪炎症反应
相比于正常饮食组（NC组），12周HFD组盲肠KetoB和HYB水平升高，而HYA水平降低。此外，相比于2周HFD组，12周HFD组Cla-hy的表达受到抑制，而Cla-dh和Cla-er表达水平升高。盲肠16S结果显示，相比对照组，2周HFD组可以增加乳杆菌科的丰度，HYA组乳杆菌科丰度增加程度比LA组更大。中长链脂肪酸（LCFAs）如PUFA主要在小肠吸收。因此，对回肠组织脂肪酸谱（FA）进行检测，发现HYA可增加回肠中LA相关肠道微生物代谢物中KetoA水平（图4a），并显著增加回肠和血浆中HYA水平（图4b）。与对照组相比，补充LA可增加与花生四烯酸（AA）相关的FA代谢物含量，而HYA组这些FA代谢物水平与对照组相似或略有下降（图4a）。根据回肠定量代谢组学结果，与对照组相比，LA组AA和前列腺素E2（PGE2）水平显著增加，而HYA组AA和前列腺素E2（PGE2）水平与对照组小鼠相似（图4c）。由于涉及AA级联反应的前列腺素和血栓素被认为是炎症反应的脂质介质，因此考察补充LA是否会通过AA级联加剧脂肪炎症。与HYA组相比，LA组WAT中F4/80阳性巨噬细胞显著增加（图4d），LA组PGE2水平显著高于对照组，而对照组和HYA组水平相当（图4e）。此外，与对照组和HYA组相比，LA组F4/80表达、肿瘤坏死因子α（TNF-α）和单核细胞趋化蛋白1（MCP-1；也称为CCL2）明显增加（图4f ）。由此发现，与补充HYA相反，补充LA可通过AA级联反应促进脂肪炎症的进展。
HYA直接调节葡萄糖稳态和通过GPCR诱导GLP-1分泌
胰高血糖素样肽（GLP-1）是一种刺激葡萄糖诱导的胰岛素分泌并抑制食物摄入的肠道激素，由回肠和结肠肠内分泌L细胞分泌）。口服HYA（1g / kg）1h后血浆和回肠中HYA浓度最高，结肠在3h达峰值（图5a）。补充HYA也增加了肠道微生物HYA代谢产物，例如HYC，KetoA和KetoC，以及回肠中HYA浓度。与回肠达峰时间相似，HYA和LA给药后血浆GLP-1水平也在1h达到峰值，从0.5h到3h阶段，HYA组血浆GLP-1水平高于对照组和LA给药小鼠（图5b）。因此，基于HYA给药1小时后GLP-1水平升高进行了口服GTT（OGTT）和腹膜内GTT（IPGTT）分析。与对照组、LA组相比，HYA组显著抑制血糖升高（图5c）。而且，给予葡萄糖30分钟后，血浆胰岛素水平达到峰值，并且HYA组葡萄糖诱导的胰岛素分泌水平高于对照组和LA组（图5d）。通过小鼠肠道分泌素肿瘤细胞系STC-1研究HYA是否诱导GLP-1分泌。结果表明，LA肠道微生物代谢物如KetoA，KetoC和HYA以剂量依赖的方式诱导STC-1细胞分泌GLP-1，而HYB和KetoB几乎没有作用（图5e）。此外，用肠鼠L细胞系GLUTag细胞进行了验证。研究结果表明，HYA急性给药促进了肠道环境中GLP-1的分泌并改善了葡萄糖稳态。
于是对HYA介导的GLP-1分泌信号进一步验证。先前研究报道PUFA通过游离脂肪酸受体GPR40和GPR120促进GLP-1分泌。采用外源表达系统发现在过表达GPR40和GPR120的HEK293细胞中，与LA相比，HYA，KetoA和KetoC而非HYC，HYB或KetoB显著增加了[Ca2+]i水平，这些影响在强力霉素（—）对照HEK293细胞中未观察到（图6a，b）。针对GPR40和GPR120的小分子干扰RNA处理STC-1细胞可显著抑制HYA或LA诱导的GLP-1分泌（图6c）。由于GPR40和GPR120与Gq蛋白偶联，这些受体会升高[Ca2+]i水平并激活磷脂酶C（PLC）。采用丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）抑制剂U0126（图6d）和PLC抑制剂U73122（图6e）处理可通过GPR40– 和GPR120–PLC–MAPK级联有效地阻断HYA或LA诱导的GLP-1分泌，而不是通过Ca信号通路，因为CaM激酶II抑制剂KN-62没有抑制作用（图6f）。采用CRISPR/Cas9技术构建GPR40和GPR120缺陷型小鼠， GPR40和GPR120缺陷型小鼠中HYA诱导的野生型小鼠GLP-1分泌增加现象消失（图6g）。因此，HYA通过激活GPR40和GPR120来促进GLP-1分泌并改善葡萄糖稳态。
HYA（+）乳杆菌有助于宿主代谢
对产生HYA的肠道微生物进行菌群移植实验，以阐明肠道菌群产生的HYA是否有助于宿主代谢的改善。基于HYA产量，选择唾液乳杆菌（JCM1044，JCM1042和JCM1231）作为产HYA（＋）菌株，将约氏乳杆菌（JCM1022和JCM8791）和嗜酸乳杆菌（JCM1229）作为不产HYA（－）菌株并进行定植。定植五周后， HYA（＋）定植小鼠粪便HYA水平显著高于GF小鼠。菌群定植4周后进行HFD喂养12周，与HYA（－）定植小鼠相比，HYA（＋）定植小鼠整个生长过程的体重和16周龄时脂肪量、血浆葡萄糖水平均显著降低（图7a，7b，7c），而总胆固醇和甘油三酯水平相似（图7d-e）；且HYA（＋）定植小鼠GLP-1水平显著升高（图7f）、血浆胰岛素水平显著降低（图7g）、脂肪TNF-α表达显著降低、粪便甘油三酯显著增加（图7 h）、葡萄糖清除率改善（图7j）。因此，研究人员发现产生HYA的肠道微生物乳酸杆菌可以改善代谢状况。粪菌移植（FMT）实验中， HYA组 FMT小鼠的OGTT与对照HFD组FMT小鼠相比显著改善。这些结果表明肠道菌群通过将饮食中的PUFA代谢为HYA，从而改善宿主的代谢稳态，提高宿主对肥胖的抵抗力。
小结
本研究发现肠道菌群可将饮食中的omega-6 PUFA代谢为HYA（10-羟基-顺-12-十八碳烯酸，亚油酸衍生物）等代谢产物，补充HYA有助于减少过量膳食亚油酸引起的脂肪炎症，还能抑制食欲、改善代谢稳态，从而帮助小鼠抵抗高脂饮食诱导的肥胖。其中，HYA主要通过调节游离脂肪酸相关的G蛋白偶联受体GPR40和GPR120，促进肠道激素GLP-1分泌，改善葡萄糖稳态。
参考文献
Miyamoto J, Igarashi M, Watanabe K, et al. Gut microbiota confers host resistance to obesity by metabolizing dietary polyunsaturated fatty acids. Nat Commun. 2019;10(1):4007.
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