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Microbiome:肠道菌群ClpB基因功能与减肥和特征性微生物群有关



英文题目: Gut bacterial ClpB-like gene function is associated with decreased body weight and a characteristic microbiota profile
中文题目肠道菌群ClpB基因功能与减肥和特征性微生物群有关
期刊名Microbiome
影响因子10.465
发表时间2020年
背景陪伴蛋白ClpB(一种细菌蛋白)是α-黑素细胞刺激素(α-MSH)的构象抗原模拟物,参与小鼠体重调节,在此我们研究了肠道菌群ClpB基因功能与人类肥胖状况和肠道微生物群的潜在关联。
结果肠道菌群ClpB基因的KEGG功能与体重指数、腰围、总脂肪质量(DEXA)呈负相关。肥胖者中与ClpB直接相关的几个细菌门和科的相对丰度(RA)降低。具体地说,在肥胖的受试者中,Rikenellaceae, Clostridiaceae , assigned Firmicutes相对丰度较低,并且与肠道菌群ClpB基因功能呈    正相关;肠道菌群ClpB基因功能也与血浆代谢产物(马尿酸和3-吲哚丙酸)和粪便羽扇豆酚有关,在这些细菌的一些序列中,还鉴定出了与大肠杆菌ClpB相似的α-MSH样表位。将人体粪便移植到小鼠后,在调整了供体的体重指数后,对人类ClpB基因功能贡献大的细菌科也与小鼠ClpB基因功能相关;Clostridiaceae和Prevotellaceae的相对丰度也与小鼠体重增加呈负相关;Prevotellaceae绝对丰度(AA)与小鼠肠道细菌ClpB基因功能呈正相关;DESeq2差异分析鉴定了Prevotellaceae的种类,它们与小鼠体重增加呈负相关,与肠道细菌ClpB基因功能呈正相关。
结论总之,肠道细菌ClpB基因功能与肥胖状态、部分移植到小鼠体内的人体特定肠道微生物群和血浆代谢物相关。
研究背景:
    肥胖正在迅速成为一种全球流行病,对其控制是制止这种趋势的首要挑战。微生物群在肥胖症和相关并发症的病理生理中的作用日益得到认可。 菌群-肠-脑轴与代谢,能量平衡,肥胖,中枢食欲的调节有关。肠道菌群可以调节肠道饱腹感和饥饿激素,例如胰高血糖素样肽1(GLP-1)和生长素释放肽,它们会影响促厌食和促食欲途径,还可以影响阿黑皮质原衍生肽(POMC)和 神经肽Y(NPY)/刺鼠相关蛋白(AgRP)神经元,最终整合到下丘脑中。
    宿主的能量平衡可以通过细菌代谢产物和神经递质的产生来调节,甚至可以通过自身细菌代谢的能量收集来调节。近年来也有研究发现,细菌蛋白通过迷走神经刺激或免疫神经内分泌机制直接作用于大脑,在这一过程中起着重要作用。这些细菌蛋白之一,酪蛋白分解肽酶B蛋白同源物(ClpB),已被确定为α-黑素细胞刺激激素(α-MSH)的构象抗原。α-MSH是一种源自阿黑皮质原衍生肽(POMC)的氨基酸,可激活下丘脑室旁核中表达的黑素皮质素-4受体(MC4R),从而促进厌食形成途径,从而调节饱腹感,能量,血压和生长。研究发现经ClpB蛋白免疫的小鼠产生的抗ClpB IgG与α-黑素细胞刺激激素(α-MSH)交叉反应,影响食物摄入和体重。此外,该研究还报告了神经性厌食症,贪食症患者的血浆抗ClpB抗体水平升高。另一方面,有研究描述了常规营养供应如何稳定大肠杆菌的指数生长,在营养供应后20分钟达到稳定阶段,ClpB蛋白在大肠杆菌稳定期上调,血浆中ClpB与粪便中ClpB的DNA成正比,刺激下丘脑POMC神经元的放电速率。此外,施用益生菌Hafnia alvei(一种产生ClpB的细菌)减少了ob/ob肥胖症鼠和小鼠高脂饮食后的脂肪量和食物摄入。
    目前几乎没有证据评估肥胖受试者的ClpB基因功能。目前的信息表明,在使用Meta-HIT数据库进行的sillico分析中,肥胖个体的ClpB基因丰度较低,并且体重指数与菌属,如Enterobacter, Klebsiella, Hafnia,呈负相关。因此,我们的主要目的是与对照组相比,评估肥胖患者肠道细菌ClpB基因功能,并评估微生物群组成和微生物衍生化合物在体重调节中的潜在作用。
研究结果
肠道细菌ClpB基因功能与人类体重下降有关
    研究了131名受试者,其中76名患有肥胖症,性别和年龄与健康对照(55名)匹配(表1)。通过宏基因组测序的KEGG功能注释评估了肠道细菌ClpB基因功能:K03695(子类别(sc):衰老/蛋白质家族:遗传信息处理;途径(p):长寿调节途径-多种物种[PATH:ko04213] /分子伴侣和折叠催化剂[BR:ko03110];注释说明(ad):ClpB ATP-依赖Clp蛋白酶ATP结合亚基ClpB;和注释(a):K03695)。
 

 
 
表1人体标本的临床特征。

    结果发现肥胖受试者的这项功能明显较低(图1a;表1)。 此外,ClpB样基因功能与体重指数(图1b),腰围(图1c)和总脂肪量(图1d)负相关。
 

 
 
图1肠道细菌ClpB基因功能与人类体重下降有关。a 箱式图显示了没有肥胖症和有肥胖症的受试者之间肠道细菌ClpB基因功能(K03695)的差异。 b散点图显示BMI与肠道细菌ClpB基因功能之间的关系。 c散点图显示腰围与肠道细菌ClpB基因功能之间的关系。 d散点图显示DEXA评估的总脂肪量和肠道细菌ClpB基因功能之间的关系。

    由于饮食是细菌生态系统众所周知的改良剂,因此我们通过重点研究大量营养素和纤维,探索了哪些饮食成分与肠道细菌ClpB基因功能(K03695)有关。 粗略衡量,总能量摄入与ClpB基因功能呈负相关。调整总能量摄入和体重后,肠道细菌ClpB基因功能与蛋白质,碳水化合物,脂质和纤维摄入量直接相关。 不过,在多个线性回归模型中,以肠道细菌ClpB基因功能(K03695)为因变量,体重指数,性别,年龄,总能量摄入以及每种常量营养素或纤维为自变量,只有体重指数仍然与肠道细菌ClpB基因功能显著相关。
肠道细菌ClpB基因功能,微生物群组成和代谢产物
    发现肠道细菌ClpB基因功能与粪便和血浆样品中的细菌代谢产物有关。值得注意的是,ClpB与血浆中的马尿酸和3-吲哚丙酸呈正相关,与粪便中的羽扇豆酚呈正相关,而与粪便中的胆酸呈负相关(图2a,b),并且常见的肠道菌群生态系统同时与这些代谢物和ClpB基因功能相关(图2c)。
 

 
 
图2肠道细菌ClpB基因功能和微生物代谢产物。a 肠道细菌类ClpB基因功能(K03695)与粪便代谢物之间的显著O-PLS相关系数(粪便中的数据先前使用PQN进行了归一化)。b肠道细菌ClpB基因功能(K03695)与血浆代谢物之间的显著O-PLS相关系数。c热图显示血浆和粪便中的重要代谢物与细菌科之间的Spearman相关系数和通过FDR调整的相关p值。

    对ClpB基因功能贡献最大的细菌科有:厚壁菌门中的Clostridiaceae, Ruminococaceae, Lachnospiraceae, uncultured and not assigned Firmicutes, uncultured Clostridiales,以及拟杆菌科中的Prevotellaceae, Bacteroidaceae, Rikenellaceae(图3a)。有趣的是,虽然肥胖人群中未分配的Firmicutes(图3b),Rikenellaceae(图3c)和Clostridiaceae(图3d)的相对丰度(RA)较低,但这些细菌也与肠道细菌呈ClpB基因功能正相关。即使在调整了身体质量指数后,ClpB基因功能与一些细菌科(Clostridiaceae,Ruminococaceae, not assigned Firmicutes, un-cultured Firmicutes)之间的关联仍然很显著。
 

 
 
图3 肠道细菌ClpB基因功能和宏基因组学。a在每个样本中,科水平的细菌分类群对肠道细菌ClpB基因功能的贡献。b-d箱式图显示了肥胖和非肥胖受试者对肠道细菌ClpB基因功能贡献的前十大细菌科(相对丰度,RA)的差异。

    以α-MSH分子模拟为重点,对ClpB样基因功能贡献最大的细菌科(图3a)在肥胖患者中也被检测到相对较低的丰度(图3b-d),例如not assigned Firmicutes,Rikenellaceae和Clostridiaceae分别有48,192和175个序列与大肠杆菌的α-MSH表位具有100%的同源性,同一性均值分别为82.13%, 92.25%, 81.36%。对ClpB样基因功能也有重要贡献的其它细菌科,如uncultured Clostridiales, Ruminococcaceae, Lachnospiraceae, uncultured Firmicutes, Prevotellaceae, uncultured Bacteria, Bacteroidaceae(图3a)有1068、766、855、265、262、149和431个序列与大肠杆菌中的α-MSH表位完全同源,同一性均值分别为89.04%、85.04%、88.28%、86.44%、95.78%、90.01%和93.64%。
小鼠肠道菌群移植
    最后我们在33只小鼠中测试了肠道细菌ClpB基因功能,初始体重无显著差异(图3e)。抗生素治疗后,对11只小鼠进行了口服灌胃,对22只小鼠进行了粪便填充。随着时间的进行,小鼠中的ClpB基因功能与体重增加呈负相关的趋势(图3f),同时与实验结束时体重增加百分比呈负相关的趋势(图3g)。人类ClpB基因功能与小鼠ClpB基因功能无显著相关性。然而,在调整供体的体重指数后,对人类ClpB基因功能贡献较大的细菌科也与小鼠的ClpB基因功能相关,例如not assigned Firmicutes ,uncultured Firmicutes, Prevotellaceae, Rikenellaceae, Ruminococcaceae。此外,在人类中对肠道细菌ClpB功能贡献更大的两个细菌科,Clostridiaceae和 Prevotellaceae与小鼠体重增加呈负相关(图3h)。小鼠中Prevotellaceae的绝对丰度(AA)也与小鼠肠道细菌ClpB基因功能呈正相关(图3i)。使用DESeq2差异分析确定了Pretelltellaceae的种类,它们在随访的第7周与小鼠的体重呈负相关(图3j),并且与肠道细菌ClpB基因功能呈正相关(图3k)。
 

 
 
图3 肠道细菌ClpB基因功能和宏基因组学。e肠道菌群移植后的小鼠体重。对照组(小鼠,M;对照组,c)显示为黄色(n = 11);从人类肠道菌群移植的老鼠(移植,t)以蓝色显示(n = 22)。f条形图,显示了小鼠体重的平均值和标准差。g散点图,显示了小鼠体重增加百分比与肠道细菌ClpB基因功能K03695(AU)之间的关系。h散点图,显示了小鼠体重增加百分比与人的Prevotellaceae 相对丰度之间的关系。i散点图显示了小鼠肠道细菌ClpB基因功能(K03695)与pretelltellaceae绝对丰度(AA)之间的关系。j散点图,显示了小鼠的最终体重(第7周)与人类Prevotellaceae baroniae绝对丰度(AA)之间的关系。K散点图显示了小鼠肠道细菌ClpB基因功能(K03695)与人类供体中Prevotellaceae baroniae绝对丰度(AA)之间的关系。



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