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本文由廖維瑤編譯，董小橙、江舜堯編輯。 原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載。 褪黑素已經(jīng)被證明可以改善動(dòng)物和人類的脂質(zhì)代謝和腸道微生物群落;然而，褪黑素是否通過重新編碼腸道微生物群預(yù)防肥胖還有待研究。本研究中,我們發(fā)現(xiàn)高脂飲食促進(jìn)了脂質(zhì)積累并使得小鼠的腸道菌群失調(diào),而口服補(bǔ)充褪黑素能減輕脂質(zhì)積累和逆轉(zhuǎn)的腸道微生物群失調(diào),包括調(diào)節(jié)腸道菌群的多樣性、擬桿菌和Alistipes的相對(duì)豐度、微生物群落的功能分,如能量代謝,脂質(zhì)代謝和碳水化合物代謝。有趣的是，褪黑素未能緩解抗生素處理小鼠體內(nèi)高脂誘導(dǎo)的脂質(zhì)積累;然而，移植褪黑素干預(yù)小鼠的腸道微生物群緩解了高脂飲食誘導(dǎo)的脂質(zhì)代謝紊亂。值得注意的是，高脂飲食小鼠中，短鏈脂肪酸減少，而褪黑素干預(yù)提高了乙酸的產(chǎn)生。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，乙酸的產(chǎn)生與擬桿菌和Alistipes的相對(duì)豐度顯著相關(guān)。重要的是，乙酸鈉治療也減輕了高脂飲食引起的脂質(zhì)代謝紊亂。綜上所述，我們的研究結(jié)果表明，褪黑素可以改善高脂肪飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝，其潛在機(jī)制可能與腸道微生物群的重新編碼有關(guān)，尤其是與擬桿菌和Alistipes介導(dǎo)的乙酸產(chǎn)生有關(guān)。需要進(jìn)一步對(duì)代謝綜合征患者進(jìn)行研究，充分了解褪黑素對(duì)體重和血脂的影響以及腸道微生物群作用的潛在機(jī)制。 論文ID 原名：Melatonin reprogramming of gut microbiota improves lipid dysmetabolism in high fat diet-fed mice 譯名：褪黑素重新編碼腸道微生物可以改善高脂飲食小鼠的脂質(zhì)代謝失調(diào) 期刊：Journal of Pineal Research IF：11.613 發(fā)表時(shí)間：2018年 通信作者：Xin Wu, Wenkai Ren, Tiejun Li 通信作者單位：中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室；湖南省動(dòng)物營養(yǎng)生理與代謝過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院亞熱帶動(dòng)物營養(yǎng)與飼料研究所。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)包含四個(gè)部分的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，第一部分為褪黑素處理實(shí)驗(yàn)，將小鼠隨機(jī)分為對(duì)照組、高脂（HF）組和高脂+褪黑素組(MelHF)組(n=10)，MelHF組小鼠給予含有0.4 mg/mL褪黑素的飲水；第二部分為抗生素處理小鼠褪黑素干預(yù)實(shí)驗(yàn)，小鼠被隨機(jī)分為對(duì)照組、HF組、MelHF組和抗生素+MelHF組(n = 10);第三部分為腸道菌群移植實(shí)驗(yàn)，小鼠被隨機(jī)分為三組，分別接受來自對(duì)照組(MT-Cont)、褪黑素組(MT-Mel)、HF組(MT-HF)、HF+褪黑素組(MT-MelHF)的腸道菌群移植，同時(shí)給與HF飲食和常規(guī)飲水；第四部分為乙酸鈉干預(yù)實(shí)驗(yàn)，小鼠被隨機(jī)分為對(duì)照組、HF、HF+乙酸鈉(ACEHF)組，乙酸鈉處理小鼠引用含有150 mM乙酸鈉的飲用水。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 褪黑素減輕HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂肪蓄積 補(bǔ)充褪黑素能改善血脂積累和血清TG代謝，然而對(duì)體重、肝臟重量、血清膽固醇、高密度脂蛋白和葡萄糖水平影響不大。因?yàn)橹暗囊豁?xiàng)研究表明，褪黑素在改善這些指標(biāo)需要10周的褪黑素干預(yù)，故需要在長期實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行進(jìn)一步的研究。此外，還需要進(jìn)一步的褪黑素高劑量補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)研究HF飲食喂養(yǎng)小鼠脂質(zhì)代謝的影響。 圖1 褪黑素干預(yù)改善了HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝
2 褪黑素改善HF飲食喂養(yǎng)小鼠脂質(zhì)代謝基因的表達(dá) 為了研究褪黑素影響脂類代謝的分子機(jī)制,我們測量了皮下脂肪組織和肝臟中幾個(gè)與脂質(zhì)代謝相關(guān)的基因的表達(dá),包括PPARɑ/γ,SREBP1/2,LXRɑ/β和ACC。結(jié)果支持了褪黑素能改善HF飲食喂養(yǎng)小鼠脂質(zhì)代謝的結(jié)論。 圖2 褪黑素干預(yù)改善了HF飲食喂養(yǎng)小鼠皮下脂肪組織和肝臟脂質(zhì)代謝的基因表達(dá)
3 褪黑激素重新編碼HF飲食喂養(yǎng)的小鼠的腸道微生物群 腸道菌群對(duì)HF飲食的響應(yīng)程度很高，包括菌群多樣性的降低，擬桿菌、Alistipes和Parasutterella的相對(duì)豐度降低，乳酸菌的富集。褪黑素通過增加菌群多樣性和增加擬桿菌、Alistipes和Parasutterella的相對(duì)豐度，降低乳酸菌的相對(duì)豐度，顯著地重組了HF喂養(yǎng)小鼠腸道菌群。 圖3 褪黑素干預(yù)改善了HF飲食喂養(yǎng)小鼠腸道微生物群
4 使用抗生素消除小鼠體內(nèi)的腸道微生物不能阻止褪黑素對(duì)HF飲食喂養(yǎng)小鼠的抗肥胖作用 與MelHF組相比，MelHF +抗生素組小鼠體重增加更多(圖4A和B),而兩組之間皮下脂肪組織的相對(duì)重量相似(P > 0.05) (圖4C和F)。我們進(jìn)一步計(jì)算了內(nèi)臟脂肪組織的相對(duì)重量，與HF組相比，MelHF組內(nèi)臟脂肪組織的相對(duì)重量也有所下降(P<>，但與MelHF+抗生素組比較，兩者的相對(duì)重量相似(圖4D)。血脂測定(圖4G-K)進(jìn)一步證實(shí)抗生素消除小鼠體內(nèi)的腸道微生物不能阻止褪黑素對(duì)HF飲食喂養(yǎng)小鼠的抗肥胖作用。 圖4 缺乏微生物群不能阻斷褪黑素對(duì)HF飲食喂養(yǎng)小鼠的抗肥胖作用
5 褪黑素處理小鼠的微生物群移植不能影響HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝 褪黑素處理小鼠的微生物群移植有增加HF喂養(yǎng)小鼠的體重的趨勢(P>0.05)同時(shí)增加體重增加量(P<>，而肝臟、皮下脂肪組織和內(nèi)臟脂肪組織的相對(duì)重量沒有變化(P>0.05)。有趣的是，褪黑素處理小鼠的微生物群移植提高了血清中膽固醇和HDL的水平(P<>，但對(duì)TG、LDL、葡萄糖和AST的水平影響不大(P>0.05)。這些結(jié)果表明，褪黑素處理小鼠的微生物群移植對(duì)HF飲食小鼠的脂質(zhì)代謝沒有影響(圖5)。 事實(shí)上，在門水平上，褪黑素處理小鼠的微生物群移植傾向于增加厚壁菌門的相對(duì)豐度，而減少擬桿菌門(P>0.05)和放線菌門的相對(duì)豐度(P<>圖6)。在目水平上，MT-Mel組腸道菌群中Erysipelotrichales下降(P<>，而乳酸菌目和擬桿菌目沒有明顯變化(P>0.05)(圖6)。屬水平上，MT-Mel組乳酸菌相對(duì)豐度較高(P=0.063)，擬桿菌和異丙環(huán)菌相對(duì)豐度較MT-Cont組明顯降低(P<>圖6)。 綜上所述，目前的數(shù)據(jù)表明褪黑素對(duì)腸道微生物群的影響可能與飲食或健康狀況有關(guān)。由于腸道微生物群組成的差異，褪黑素處理的小鼠體內(nèi)的微生物群移植未能改善HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝。 圖5 褪黑素干預(yù)小鼠的微生物群移植不能影響HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝 圖6 MT-Cont和MT-Mel組小鼠的腸道微生物群對(duì)糞菌移植的反應(yīng)
6 MelHF組小鼠的微生物群移植在HF飲食喂養(yǎng)小鼠中也具有類似的抗肥胖作用 MelHF組的菌群移植逆轉(zhuǎn)了Firmicutes和Bacteroidetes的變化(P<>圖7a)。同時(shí), MT-HF組擬桿菌目和擬桿菌屬相對(duì)豐度下降(P < 0.01),="">組的菌群移植擬桿菌目增加(P <>圖7 B和C)。此外,我們還研究了梭菌和Odoribacter (圖7 B和C)。這些結(jié)果表明，HF和MelHF組小鼠的腸道微生物群，與移植了HF和MelHF組糞便微生物群的小鼠腸道微生物群落相似，這進(jìn)一步支持了褪黑素對(duì)腸道微生物群的影響與飲食或健康狀況有關(guān)的假說。 我們進(jìn)一步研究了MelHF組小鼠的微生物群移植對(duì)HF飲食喂養(yǎng)小鼠脂質(zhì)代謝的影響。從圖8中可以看出，MT-HF組體重在第10 ~ 14天有高于MT-Cont組和MT-MelHF組的趨勢(P>0.05)。與MT-Cont小鼠相比，HF飲食喂養(yǎng)小鼠的微生物群移植加速了體重的增加(P<>，而MT-MelHF組的體重增加較低(P=0.063)。各組間肝臟相對(duì)重量、皮下脂肪組織相對(duì)重量相似(圖8C-D)。皮下脂肪組織HE染色和肝臟油紅O染色(圖8E-F)顯示，MT-HF組皮下脂肪脂肪細(xì)胞平均大小略大于MT-Cont組和MT-MelHF組。此外，與MT-Cont組相比，HF小鼠移植后血清TG (P<>、CHOL (P<>、HDL (P<>水平明顯升高，而MT-Cont組與MT-MelHF組相比，血清TG、CHOL水平無明顯差異(圖8G-I)。同時(shí)，移植小鼠血清LDL和葡萄糖水平未發(fā)生變化(圖8J和K)，這些結(jié)果共同直接表明，微生物群介導(dǎo)了HF飲食喂養(yǎng)小鼠褪黑激素的抗肥胖作用。 圖7 MT-Cont、MT-HF和MT-MelHF組小鼠的腸道微生物群對(duì)糞菌移植的反應(yīng) 圖8 MelHF干預(yù)小鼠的微生物群移植改善了HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝
7 微生物介導(dǎo)的乙酸產(chǎn)生可能參與了褪黑素對(duì)HF飲食喂養(yǎng)小鼠的抗肥胖作用 HF顯著降低了小鼠糞便中乙酸(P<>和丙酸(P<>的水平，而褪黑素能緩解HF喂養(yǎng)小鼠體內(nèi)乙酸的下降(P>0.05)，對(duì)照組與MelHF組間乙酸水平差異不顯著(P>0.05)。我們也檢測了抗生素處理的小鼠結(jié)腸SCFAs，結(jié)果顯示，與糞便SCFAs相似，HF組乙酸有下降趨勢(P=0.066)，對(duì)照組與MelHF組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)(補(bǔ)充圖1)?？股刂委熛拢惗∷?、戊酸、異戊酸等SCFAs均顯著降低(P<>?；诳股靥幚硇∈蟮臄?shù)據(jù)，我們得出結(jié)論，SCFAs受微生物群改變影響顯著，尤其是對(duì)乙酸，而乙酸可能是褪黑素介導(dǎo)的脂質(zhì)代謝改善的潛在機(jī)制。 然而，我們并不排除微生物群的改變不產(chǎn)生醋酸或醋酸的改變可能是由其他因素引起的可能性。有趣的是，本研究中乳酸菌、擬桿菌、Alistipes和Parasutterella均發(fā)生了變化，均屬于產(chǎn)乙酸屬。因此，我們對(duì)乙酸與乳酸桿菌、擬桿菌、Alistipes、Parasutterella進(jìn)行了Pearson相關(guān)分析(圖9D-G)。令人驚訝的是，糞便中乙酸的產(chǎn)生與擬桿菌和Alistipes的相對(duì)豐度顯著相關(guān)(P<>圖9E和F)，說明本研究中擬桿菌和Alistipes主要對(duì)乙酸的產(chǎn)生有貢獻(xiàn)。 綜上所述，褪黑素通過改變腸道微生物群組成，尤其是擬桿菌和Alistipes，改善了HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝，而改變腸道微生物群進(jìn)而產(chǎn)生乙酸介導(dǎo)脂質(zhì)代謝。 圖9 糞便中SCFAs濃度及乙酸與微生物群變化的相關(guān)性分析
8 乙酸鈉干預(yù)改善HF飲食小鼠的脂質(zhì)代謝 與HF組相比,口服150mM乙酸鈉顯著減少體重和體重增加量(P <>圖10A和B)。盡管本研究中肝臟相對(duì)重量沒有改變(P > 0.05)(圖10C和G),皮下脂肪和內(nèi)臟脂肪組織的相對(duì)重量顯著下降(P<>圖10D和E)，皮下脂肪組織的平均脂肪細(xì)胞大小顯著下降(圖10F)，脂質(zhì)蓄積顯著改善。同時(shí)，ACEHF組血清TG水平明顯低于HF組(P<>圖10H)，但血清膽固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白水平無差異，甚至引起血糖升高(圖10I-L)。小鼠結(jié)腸SCFAs檢測結(jié)果說明膳食乙酸鈉主要在小腸被吸收。 檢測了皮下脂肪和肝組織PPARɑ/γ和LXRɑ/β基因的表達(dá)(補(bǔ)充圖2)。同樣,口服醋酸鈉干預(yù)顯著調(diào)節(jié)PPARγ和LXRβ基因在肝臟和皮下脂肪組織的表達(dá)。這些數(shù)據(jù)表明，口服醋酸鈉對(duì)HF飲食喂養(yǎng)的小鼠具有類似的抗肥胖作用。 圖10 乙酸鈉干預(yù)可改善HF飲食小鼠的脂質(zhì)代謝
9 GPR43信號(hào)通路 GPR43是一種主要的乙酸感應(yīng)器。雖然HF飲食喂養(yǎng)的小鼠體內(nèi)乙酸含量降低，但在HF組肝臟(圖11A、B)和皮下脂肪組織(圖11C)中GPR43的表達(dá)水平較高。同時(shí)，褪黑素或乙酸鈉處理對(duì)GPR43表達(dá)無影響。我們對(duì)GPR43的幾個(gè)下游信號(hào)(如p38、ERK和JNK)進(jìn)行了進(jìn)一步檢測。結(jié)果顯示，在HF飲食喂養(yǎng)的小鼠中，肝臟和皮下脂肪組織的p38信號(hào)被激活(圖11B和C)，而乙酸鈉處理逆轉(zhuǎn)了肝臟中p38的磷酸化。p38信號(hào)在褪黑素介導(dǎo)的抗肥胖作用中的具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
圖11 褪黑素和乙酸鈉對(duì)GPR43信號(hào)的影響 結(jié) 論 綜上所述，我們的結(jié)果表明褪黑素改善了脂質(zhì)代謝，逆轉(zhuǎn)了腸道菌群組成，尤其是在門水平上厚壁菌門和擬桿菌相對(duì)豐度。由于抗生素和微生物群移植導(dǎo)致的菌群缺乏，并不能改善HF飲食喂養(yǎng)小鼠的脂質(zhì)代謝，提示褪黑素對(duì)腸道菌群的影響取決于健康狀況。而HF飲食喂養(yǎng)小鼠的微生物群移植加速了HF飲食誘導(dǎo)的脂質(zhì)紊亂，而MelHF組糞便微生物群的干預(yù)緩解了這種紊亂，說明腸道微生物群參與了褪黑素對(duì)HF飲食誘導(dǎo)的脂質(zhì)代謝的作用。HF飲食降低糞便乙酸濃度，與擬桿菌和Alistipes的相對(duì)豐度顯著相關(guān)。乙酸鈉干預(yù)在HF飲食喂養(yǎng)的小鼠中顯示出類似的抗肥胖作用。綜上所述，褪黑素對(duì)腸道微生物群和醋酸產(chǎn)生影響之后，褪黑素進(jìn)而對(duì)脂質(zhì)代謝產(chǎn)生影響。仍需動(dòng)物和人類長期補(bǔ)充褪黑素的進(jìn)一步研究。
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