Microbiome：腸道菌群ClpB基因功能與減肥和特征性微生物群有關(guān)

發(fā)稿時間：2020-05-15來源：天昊生物

英文題目: Gut bacterial ClpB-like gene function is associated with decreased body weight and a characteristic microbiota profile

中文題目：腸道菌群ClpB基因功能與減肥和特征性微生物群有關(guān)

期刊名：Microbiome

影響因子：10.465

發(fā)表時間：2020年

背景：陪伴蛋白ClpB(一種細菌蛋白)是α-黑素細胞刺激素（α-MSH）的構(gòu)象抗原模擬物，參與小鼠體重調(diào)節(jié)，在此我們研究了腸道菌群ClpB基因功能與人類肥胖狀況和腸道微生物群的潛在關(guān)聯(lián)。

結(jié)果：腸道菌群ClpB基因的KEGG功能與體重指數(shù)、腰圍、總脂肪質(zhì)量（DEXA）呈負相關(guān)。肥胖者中與ClpB直接相關(guān)的幾個細菌門和科的相對豐度（RA）降低。具體地說，在肥胖的受試者中，Rikenellaceae, Clostridiaceae , assigned Firmicutes相對豐度較低，并且與腸道菌群ClpB基因功能呈正相關(guān)；腸道菌群ClpB基因功能也與血漿代謝產(chǎn)物（馬尿酸和3-吲哚丙酸）和糞便羽扇豆酚有關(guān)，在這些細菌的一些序列中，還鑒定出了與大腸桿菌ClpB相似的α-MSH樣表位。將人體糞便移植到小鼠后，在調(diào)整了供體的體重指數(shù)后，對人類ClpB基因功能貢獻大的細菌科也與小鼠ClpB基因功能相關(guān)；Clostridiaceae和Prevotellaceae的相對豐度也與小鼠體重增加呈負相關(guān)；Prevotellaceae絕對豐度（AA）與小鼠腸道細菌ClpB基因功能呈正相關(guān)；DESeq2差異分析鑒定了Prevotellaceae的種類，它們與小鼠體重增加呈負相關(guān)，與腸道細菌ClpB基因功能呈正相關(guān)。

結(jié)論：總之，腸道細菌ClpB基因功能與肥胖狀態(tài)、部分移植到小鼠體內(nèi)的人體特定腸道微生物群和血漿代謝物相關(guān)。

研究背景:

肥胖正在迅速成為一種全球流行病，對其控制是制止這種趨勢的首要挑戰(zhàn)。微生物群在肥胖癥和相關(guān)并發(fā)癥的病理生理中的作用日益得到認可。 菌群-腸-腦軸與代謝，能量平衡，肥胖，中樞食欲的調(diào)節(jié)有關(guān)。腸道菌群可以調(diào)節(jié)腸道飽腹感和饑餓激素，例如胰高血糖素樣肽1（GLP-1）和生長素釋放肽，它們會影響促厭食和促食欲途徑，還可以影響阿黑皮質(zhì)原衍生肽（POMC）和 神經(jīng)肽Y（NPY）/刺鼠相關(guān)蛋白（AgRP）神經(jīng)元，最終整合到下丘腦中。

宿主的能量平衡可以通過細菌代謝產(chǎn)物和神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生來調(diào)節(jié)，甚至可以通過自身細菌代謝的能量收集來調(diào)節(jié)。近年來也有研究發(fā)現(xiàn)，細菌蛋白通過迷走神經(jīng)刺激或免疫神經(jīng)內(nèi)分泌機制直接作用于大腦，在這一過程中起著重要作用。這些細菌蛋白之一，酪蛋白分解肽酶B蛋白同源物（ClpB），已被確定為α-黑素細胞刺激激素（α-MSH）的構(gòu)象抗原。α-MSH是一種源自阿黑皮質(zhì)原衍生肽（POMC）的氨基酸，可激活下丘腦室旁核中表達的黑素皮質(zhì)素-4受體（MC4R），從而促進厭食形成途徑，從而調(diào)節(jié)飽腹感，能量，血壓和生長。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)ClpB蛋白免疫的小鼠產(chǎn)生的抗ClpB IgG與α-黑素細胞刺激激素（α-MSH）交叉反應(yīng)，影響食物攝入和體重。此外，該研究還報告了神經(jīng)性厭食癥，貪食癥患者的血漿抗ClpB抗體水平升高。另一方面，有研究描述了常規(guī)營養(yǎng)供應(yīng)如何穩(wěn)定大腸桿菌的指數(shù)生長，在營養(yǎng)供應(yīng)后20分鐘達到穩(wěn)定階段，ClpB蛋白在大腸桿菌穩(wěn)定期上調(diào)，血漿中ClpB與糞便中ClpB的DNA成正比，刺激下丘腦POMC神經(jīng)元的放電速率。此外，施用益生菌Hafnia alvei（一種產(chǎn)生ClpB的細菌）減少了ob/ob肥胖癥鼠和小鼠高脂飲食后的脂肪量和食物攝入。

目前幾乎沒有證據(jù)評估肥胖受試者的ClpB基因功能。目前的信息表明，在使用Meta-HIT數(shù)據(jù)庫進行的sillico分析中，肥胖個體的ClpB基因豐度較低，并且體重指數(shù)與菌屬，如Enterobacter, Klebsiella, Hafnia，呈負相關(guān)。因此，我們的主要目的是與對照組相比，評估肥胖患者腸道細菌ClpB基因功能，并評估微生物群組成和微生物衍生化合物在體重調(diào)節(jié)中的潛在作用。

研究結(jié)果：

腸道細菌ClpB基因功能與人類體重下降有關(guān)

研究了131名受試者，其中76名患有肥胖癥，性別和年齡與健康對照（55名）匹配（表1）。通過宏基因組測序的KEGG功能注釋評估了腸道細菌ClpB基因功能：K03695（子類別（sc）：衰老/蛋白質(zhì)家族：遺傳信息處理；途徑（p）：長壽調(diào)節(jié)途徑-多種物種[PATH：ko04213] /分子伴侶和折疊催化劑[BR：ko03110]；注釋說明（ad）：ClpB ATP-依賴Clp蛋白酶ATP結(jié)合亞基ClpB；和注釋（a）：K03695）。

表1人體標(biāo)本的臨床特征。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)肥胖受試者的這項功能明顯較低（圖1a；表1）。 此外，ClpB樣基因功能與體重指數(shù)（圖1b），腰圍（圖1c）和總脂肪量（圖1d）負相關(guān)。

圖1腸道細菌ClpB基因功能與人類體重下降有關(guān)。a 箱式圖顯示了沒有肥胖癥和有肥胖癥的受試者之間腸道細菌ClpB基因功能（K03695）的差異。 b散點圖顯示BMI與腸道細菌ClpB基因功能之間的關(guān)系。 c散點圖顯示腰圍與腸道細菌ClpB基因功能之間的關(guān)系。 d散點圖顯示DEXA評估的總脂肪量和腸道細菌ClpB基因功能之間的關(guān)系。

 

由于飲食是細菌生態(tài)系統(tǒng)眾所周知的改良劑，因此我們通過重點研究大量營養(yǎng)素和纖維，探索了哪些飲食成分與腸道細菌ClpB基因功能（K03695）有關(guān)。 粗略衡量，總能量攝入與ClpB基因功能呈負相關(guān)。調(diào)整總能量攝入和體重后，腸道細菌ClpB基因功能與蛋白質(zhì)，碳水化合物，脂質(zhì)和纖維攝入量直接相關(guān)。 不過，在多個線性回歸模型中，以腸道細菌ClpB基因功能（K03695）為因變量，體重指數(shù)，性別，年齡，總能量攝入以及每種常量營養(yǎng)素或纖維為自變量，只有體重指數(shù)仍然與腸道細菌ClpB基因功能顯著相關(guān)。

腸道細菌ClpB基因功能，微生物群組成和代謝產(chǎn)物

發(fā)現(xiàn)腸道細菌ClpB基因功能與糞便和血漿樣品中的細菌代謝產(chǎn)物有關(guān)。值得注意的是，ClpB與血漿中的馬尿酸和3-吲哚丙酸呈正相關(guān)，與糞便中的羽扇豆酚呈正相關(guān)，而與糞便中的膽酸呈負相關(guān)（圖2a，b），并且常見的腸道菌群生態(tài)系統(tǒng)同時與這些代謝物和ClpB基因功能相關(guān)（圖2c）。

圖2腸道細菌ClpB基因功能和微生物代謝產(chǎn)物。a 腸道細菌類ClpB基因功能（K03695）與糞便代謝物之間的顯著O-PLS相關(guān)系數(shù)（糞便中的數(shù)據(jù)先前使用PQN進行了歸一化）。b腸道細菌ClpB基因功能（K03695）與血漿代謝物之間的顯著O-PLS相關(guān)系數(shù)。c熱圖顯示血漿和糞便中的重要代謝物與細菌科之間的Spearman相關(guān)系數(shù)和通過FDR調(diào)整的相關(guān)p值。

 

對ClpB基因功能貢獻最大的細菌科有：厚壁菌門中的Clostridiaceae, Ruminococaceae, Lachnospiraceae, uncultured and not assigned Firmicutes, uncultured Clostridiales，以及擬桿菌科中的Prevotellaceae, Bacteroidaceae, Rikenellaceae（圖3a）。有趣的是，雖然肥胖人群中未分配的Firmicutes（圖3b），Rikenellaceae（圖3c）和Clostridiaceae（圖3d）的相對豐度（RA）較低，但這些細菌也與腸道細菌呈ClpB基因功能正相關(guān)。即使在調(diào)整了身體質(zhì)量指數(shù)后，ClpB基因功能與一些細菌科（Clostridiaceae,Ruminococaceae, not assigned Firmicutes, un-cultured Firmicutes）之間的關(guān)聯(lián)仍然很顯著。

圖3 腸道細菌ClpB基因功能和宏基因組學(xué)。a在每個樣本中，科水平的細菌分類群對腸道細菌ClpB基因功能的貢獻。b-d箱式圖顯示了肥胖和非肥胖受試者對腸道細菌ClpB基因功能貢獻的前十大細菌科（相對豐度，RA）的差異。

 

以α-MSH分子模擬為重點，對ClpB樣基因功能貢獻最大的細菌科（圖3a）在肥胖患者中也被檢測到相對較低的豐度（圖3b-d），例如not assigned Firmicutes，Rikenellaceae和Clostridiaceae分別有48,192和175個序列與大腸桿菌的α-MSH表位具有100％的同源性，同一性均值分別為82.13%, 92.25%, 81.36%。對ClpB樣基因功能也有重要貢獻的其它細菌科，如uncultured Clostridiales, Ruminococcaceae, Lachnospiraceae, uncultured Firmicutes, Prevotellaceae, uncultured Bacteria, Bacteroidaceae（圖3a）有1068、766、855、265、262、149和431個序列與大腸桿菌中的α-MSH表位完全同源，同一性均值分別為89.04%、85.04%、88.28%、86.44%、95.78%、90.01%和93.64%。

小鼠腸道菌群移植

最后我們在33只小鼠中測試了腸道細菌ClpB基因功能，初始體重?zé)o顯著差異（圖3e）?？股刂委熀螅瑢?span>11只小鼠進行了口服灌胃，對22只小鼠進行了糞便填充。隨著時間的進行，小鼠中的ClpB基因功能與體重增加呈負相關(guān)的趨勢（圖3f），同時與實驗結(jié)束時體重增加百分比呈負相關(guān)的趨勢（圖3g）。人類ClpB基因功能與小鼠ClpB基因功能無顯著相關(guān)性。然而，在調(diào)整供體的體重指數(shù)后，對人類ClpB基因功能貢獻較大的細菌科也與小鼠的ClpB基因功能相關(guān)，例如not assigned Firmicutes ,uncultured Firmicutes, Prevotellaceae, Rikenellaceae, Ruminococcaceae。此外，在人類中對腸道細菌ClpB功能貢獻更大的兩個細菌科，Clostridiaceae和 Prevotellaceae與小鼠體重增加呈負相關(guān)（圖3h）。小鼠中Prevotellaceae的絕對豐度（AA）也與小鼠腸道細菌ClpB基因功能呈正相關(guān)（圖3i）。使用DESeq2差異分析確定了Pretelltellaceae的種類，它們在隨訪的第7周與小鼠的體重呈負相關(guān)（圖3j），并且與腸道細菌ClpB基因功能呈正相關(guān)（圖3k）。

圖3 腸道細菌ClpB基因功能和宏基因組學(xué)。e腸道菌群移植后的小鼠體重。對照組（小鼠，M；對照組，c）顯示為黃色（n = 11）；從人類腸道菌群移植的老鼠（移植，t）以藍色顯示（n = 22）。f條形圖，顯示了小鼠體重的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。g散點圖，顯示了小鼠體重增加百分比與腸道細菌ClpB基因功能K03695（AU）之間的關(guān)系。h散點圖，顯示了小鼠體重增加百分比與人的Prevotellaceae 相對豐度之間的關(guān)系。i散點圖顯示了小鼠腸道細菌ClpB基因功能（K03695）與pretelltellaceae絕對豐度（AA）之間的關(guān)系。j散點圖，顯示了小鼠的最終體重（第7周）與人類Prevotellaceae baroniae絕對豐度（AA）之間的關(guān)系。K散點圖顯示了小鼠腸道細菌ClpB基因功能（K03695）與人類供體中Prevotellaceae baroniae絕對豐度（AA）之間的關(guān)系。