單體高分思路-PNAS：揭示多酚的腸道菌羣代謝產物可逆轉肥胖驅動的肝脂肪變性

均衡飲食是影響人類健康最重要的因素之一。近期研究表明，飲食是腸道菌羣結構、功能和動態變化的主要決定因素，不同的飲食模式可快速的改變人類腸道微生物組。此外，飲食驅動下的腸道菌羣代謝產物與心血管和代謝疾病的發病機制存在因果關係。類黃酮是植物性飲食的關鍵成分。通過清除自由基和激活與人類疾病有關的分子效應器，而具有抗氧化，抗肥胖和化學防禦特性。

2022年11月，美國克利夫蘭診所心血管研究中心Lucas J. Osborn等在《PNAS》上發表了一篇題爲“A gut microbial metabolite of dietary polyphenols reverses obesity-driven hepatic steatosis”的研究論文。揭示了腸道微生物對與類黃酮消耗相關的代謝益處的貢獻，並強調了這一過程在人類腸道微生物羣落中的獨特性。

文章簡介

文章題目：A gut microbial metabolite of dietary polyphenols reverses obesity-driven hepatic steatosis

發表單位：美國克利夫蘭診所

發表時間：2022.11.23

發表期刊：PNAS

影響因子：12.779

研究對象：小鼠、人、細菌

樣品類型：盲腸內容物、血漿、肝臟

組學類型：微生物多樣性、宏基因組、細菌基因組、真核轉錄組、代謝組、蛋白組

研究思路

主要結果

1、類黃酮可降低高脂飲食誘導的肥胖

爲了確定候選分解代謝產物，研究者對在高脂飲食(HFD)下補充三種不同的類黃酮複合物(FC1，FC2和FC3)的小鼠進行了比較。結果觀察到FC1小鼠對HFD誘導的肥胖有明顯的保護作用。盲腸內容物的微生物多樣性測序結果顯示，FC1小鼠的多樣性明顯高於使用NMDS的HFD對照組小鼠和其他FC小鼠。值得注意的是，與HFD對照組相比，FC小鼠盲腸中Lachnospiraceae UCG-006顯著富集。

通過對小鼠血漿進行靶向代謝物研究，分析六種已知的可檢測的微生物類黃酮分解產物。與HFD對照組相比，FC1小鼠門靜脈血漿中只有4-HPAA和4-羥基-3-甲氧基苯甲酸顯著富集，且4-HPAA濃度差異倍數最大。綜合分析，最後研究中選擇4-HPAA作爲候選分子來驗證假設：一個單一的微生物類黃酮分解代謝產物足以消除HFD誘導的代謝性疾病的關鍵參數。

圖1補充類黃酮可減少HFD誘導的肥胖和改變盲腸微生物羣

2、單一微生物類黃酮分解產物逆轉肝臟脂肪變性

研究人員驗證了FC1產生的代謝益處是否部分可歸因於微生物類黃酮分解產物4-HPAA。給肥胖小鼠以皮下緩釋4-HPAA，發現其在冷暴露下更傾向於利用碳水化合物作爲能量來源，並且棕色脂肪組織中解偶聯蛋白1 (Ucp1) mRNA表達增加，表明4-HPAA可能調節冷暴露過程中的代謝靈活性。

值得注意的是，僅6周後，與對照組小鼠相比，皮下給藥4-HPAA可顯著逆轉肝臟脂肪變性。與肝臟代謝和炎症相關基因的RT-qPCR結果表明4-HPAA具有明顯的代謝益處，部分受組織特異性轉錄重編程的調節。通過對肝臟的轉錄組測序進一步說明，4-HPAA處理可以減少肝臟脂肪變性，至少部分是通過肝臟內的轉錄重塑來實現的。

圖24-HPAA足以逆轉HFD誘導的肝臟脂肪變性和肝損傷

圖34-HPAA影響肝臟轉錄組

3、4-HPAA激活肝臟AMPKα信號

接下來研究人員揭示可能與4-HPAA誘導的肝臟轉錄變化有關的信號級聯。給小鼠門靜脈注射4-HPAA，10分鐘後收集肝臟組織進行磷酸化蛋白組分析，發現處理組和生理鹽水對照組中存在大量的磷酸肽的丰度差異。在4-HPAA處理的小鼠中，所有定位到下調磷酸肽的親本基因的通路分析都涉及到AMPK通路和AMPK相關代謝效應因子。

通過對皮下給藥實驗中的肝臟組織進行免疫印跡分析，結果證實了通過門靜脈直接給藥4-HPAA作爲替代給藥方法的動物肝臟中AMPK和ACC的劑量依賴性激活。用4-HPAA處理原代小鼠肝細胞30 min，可導致AMPKα和ACC在體外以劑量依賴性方式發生磷酸化。以上結果表明，4-HPAA在肝臟(主要積累部位)局部起作用，激活AMPKα及其下游信號通路，進而激活脂肪酸氧化並減弱脂肪的從頭生成。

圖44-HPAA激活AMPK通路和下游效應分子以減少肝臟脂肪新生

4、人類類黃酮分解代謝是罕見的，強調其治療潛力

臨牀研究表明，類黃酮分解代謝在人類腸道微生物羣中不太突出，並表現出顯著的個體間差異。Flavonifractor plautii是能夠將膳食黃酮醇分解爲單酚酸的人類腸道共生菌，屬於Lachnospiraceae科（是FC小鼠腸道的主要差異微生物）。黃酮和黃酮醇逐步降解爲4-HPAA等單酚酸，總共需要4個基因。這四個基因編碼FLR、CHI、EnoR和PHY。

爲了預測人類的黃酮醇分解能力，研究人員計算了這一分解基因集在兩個公開可用數據庫宏基因組測序數據(n = 1,899 assemblies)中共出現的發生率。儘管在這些數據集中，有28%的人類微生物中存在着F. plautii，但任何一個分解代謝基因的發生率（與參考基因集的序列相似性>40%)不超過7%。所有四個基因同時出現——黃酮醇完全降解途徑所需——是非常罕見的，約爲百分之一。這些數據表明，並不是所有的F. plautii菌株都能分解黃酮醇。菌株的體外實驗發現，當有黃酮醇底物時，F. plautii迅速誘導黃酮醇降解途徑相關基因的轉錄，並在山奈酚消耗後下調，隨後產生4-HPAA。

下一步研究人員開始在體外實驗黃酮醇山奈酚通過穩定的人類衍生的多微生物羣落轉化爲4-HPAA的情況。使用靶向LC-MS/MS方法測量4-HPAA，在含有F. plautii的羣落中觀察到山奈酚底物完全轉化爲4-HPAA，但在陰性對照中沒有觀察到。這一結果驗證了研究人員的假設——單個具有黃酮類化合物分解代謝活性的微生物可以被引入複雜的人類糞便微生物羣落中，在體外產生4-HPAA。

最後研究人員將F. plautii定植到無菌小鼠的胃腸道，並驗證通過給藥山奈酚底物可以調節4-HPAA水平的假設。2周後，與生理鹽水對照組相比，在山奈酚處理的小鼠門靜脈血漿和盲腸中觀察到4-HPAA水平增加。這些數據表明，4-HPAA的產生可以通過單個微生物的分解來調節。

圖5黃酮醇和黃酮分解基因在人類微生物羣中很少發現

結果與討論

本研究揭示了與類黃酮攝入相關的宿主代謝益處部分取決於腸道微生物代謝。具體而言，研究證明了單一腸道微生物類黃酮分解代謝產物4-HPAA足以減輕小鼠飲食誘導的心血管代謝疾病(CMD)症狀。在高脂肪飲食中添加類黃酮可提高門脈血漿中4-HPAA的水平，減輕肥胖，且持續的4-HPAA輸送足以逆轉肝臟脂肪變性，與激活AMPKα有關。在對健康人類腸道宏基因組的一項大型調查中，發現只有約1%的基因組包含將黃酮醇分解爲4-HPAA所需的全部四種特徵同源基因。本研究證明了腸道微生物對與類黃酮消耗相關的代謝益處的貢獻，並強調了這一過程在人類腸道微生物羣落中的罕見性。

參考文獻.

Osborn L J, Schultz K, Massey W, et al. A gut microbial metabolite of dietary polyphenols reverses obesity-driven hepatic steatosis[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(48): e2202934119.

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