Science代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享：孕期母體腸道菌群小鼠后代代謝表型影響

代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，抗生素和飲食習(xí)慣會(huì)影響腸道微生物群落，從而使人類易患代謝綜合征等多種疾病。盡管微生物群對(duì)產(chǎn)后環(huán)境的影響已得到充分證明，但關(guān)于腸道菌群代謝組學(xué)對(duì)胚胎期的影響還知之甚少。近期，發(fā)表在國(guó)際期刊Science上題目為《Maternal gut microbiota in pregnancy influences offspring metabolic phenotype in mice》的文章，探討了小鼠母體腸道菌群對(duì)后代胚胎發(fā)育和生命后期疾病易感性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)孕期母體腸道菌群通過(guò)產(chǎn)生短鏈脂肪酸，塑造胚胎的代謝系統(tǒng)發(fā)育。下面來(lái)看看具體研究?jī)?nèi)容吧。
 

作者首先在無(wú)病原體（SPF）和無(wú)菌（GF）條件下飼養(yǎng)了孕期母鼠，待小鼠出生后由養(yǎng)母在常規(guī)條件下飼養(yǎng)，以適應(yīng)出生后的生長(zhǎng)環(huán)境。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，斷奶后，小鼠被喂食高脂肪飲食（HFD）以誘發(fā)肥胖。結(jié)果發(fā)現(xiàn)盡管來(lái)自GF-ICR孕鼠的后代出生后體重小于來(lái)自SPF-ICR孕鼠的后代，但在生長(zhǎng)過(guò)程中，其后代因食用HFD而發(fā)生顯著肥胖。與SPF孕鼠的子代相比，GF子代腎周或皮下白色脂肪組織（WAT）和肝臟的重量顯著增加，同時(shí)，GF子代的血糖、TGs、非酯化脂肪酸（NEFAs）和總膽固醇水平顯著升高，體溫和心率顯著降低。此外，GF子代表現(xiàn)出食物攝入增加，血漿中腸激素肽YY（PYY）和胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）水平降低，能量消耗減少以及HFD誘導(dǎo)的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗顯著加速的情況。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，這些結(jié)果表明，在HFD喂養(yǎng)下，GF后代表現(xiàn)出肥胖表型。文中還發(fā)現(xiàn)成年期的腸道微生物群不是GF后代肥胖傾向表型的主要因素，而且GF子代的代謝紊亂是普遍存在的，與品系和性別無(wú)關(guān)（圖1）。
 

圖1 喂食HFD后，GF孕鼠的后代表現(xiàn)出嚴(yán)重的肥胖表型

考慮到微生物組成的變化可能會(huì)導(dǎo)致生態(tài)失調(diào)，從而導(dǎo)致宿主中的易感疾病表型。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，而腸道微生物群衍生代謝物如短鏈脂肪酸等，不僅為宿主細(xì)胞提供燃料，還充當(dāng)腸道微生物群和腸外器官之間的信號(hào)分子。于是作者假設(shè)來(lái)自母體腸道微生物群的代謝物信號(hào)可能會(huì)轉(zhuǎn)移到胎兒體內(nèi)并影響代謝系統(tǒng)的發(fā)育。因此分析了SPF和GF-ICR孕鼠及其胚胎中親水和親脂代謝產(chǎn)物的血漿水平。結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有5種代謝物在孕鼠和胚胎中表現(xiàn)出與飼養(yǎng)條件相似的變化。

尤其是GF孕鼠和胚胎的血漿SCFAs（乙酸、丙酸和丁酸）水平明顯低于SPF對(duì)應(yīng)者�？紤]到妊娠期間SPF組的孕鼠和胚胎的血漿SCFAs水平是恒定的，母體腸道微生物群似乎通過(guò)血流向胚胎構(gòu)成供應(yīng)SCFAs。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，同時(shí)作者在胚胎和成年期的交感神經(jīng)節(jié)中檢測(cè)到Gpr41 mRNA的雙相表達(dá)，結(jié)腸中Gpr43表達(dá)的雙相增加，胰腺中Gpr43 mRNA水平在圍產(chǎn)期-產(chǎn)后期間短暫升高。這些結(jié)果表明胚胎代謝組織，如交感神經(jīng)系統(tǒng)、腸道和胰腺，可能通過(guò)表達(dá)GPR41和GPR43來(lái)感知母體腸道微生物衍生的SCFAs（圖2）。      
 

圖2 胚胎SCFAs依賴于母體腸道微生物群，受體已經(jīng)在胚胎期表達(dá)

接著，作者進(jìn)一步研究了在胚胎發(fā)育過(guò)程中GPR41在交感神經(jīng)系統(tǒng)中的作用以及GPR43在腸和胰腺中的作用。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，由于GPR41最有效的激動(dòng)劑是丙酸鹽，而且丙酸鹽是一種比乙酸鹽或丁酸鹽更有效的GPR43配體，文中重點(diǎn)研究了丙酸鹽介導(dǎo)的GPR41和GPR43信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與野生型（WT）胚胎相比，Gpr41−/−C57BL/6J胚胎和具有相同背景的GF胚胎到心臟的交感神經(jīng)投射明顯減少。

丙酸誘導(dǎo)的Gpr41−/−胚胎交感神經(jīng)細(xì)胞分化被阻斷。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，用抗生素治療WT孕鼠，發(fā)現(xiàn)幼鼠的交感神經(jīng)對(duì)心臟的投射明顯減弱，但在孕期補(bǔ)充丙酸后得到改善（圖3）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)丙酸顯著促進(jìn)WT胚胎腸類器官中GLP-1+腸內(nèi)分泌細(xì)胞的分化，這種效應(yīng)在Gpr43−/−胚胎的類器官中被消除。丙酸鹽和合成的GPR43激動(dòng)劑苯乙酰胺-1（PA-1）促進(jìn)了向胰島素+β細(xì)胞的分化；然而，這種作用受到RNA干擾介導(dǎo)的GPR43基因敲除的影響（圖4）。

因此，作者推斷來(lái)自母體腸道微生物群的丙酸鹽通過(guò)GPR41促進(jìn)交感神經(jīng)的發(fā)育，通過(guò)激活GPR43促進(jìn)胰腺β細(xì)胞和GLP-1陽(yáng)性腸內(nèi)分泌細(xì)胞的分化。
 

圖3 丙酸通過(guò)胚胎GPR41促進(jìn)交感神經(jīng)分化
 

圖4 丙酸通過(guò)胚胎GPR43促進(jìn)腸內(nèi)分泌和胰腺β細(xì)胞分化

為了進(jìn)一步證明SCFAs在肥胖抵抗的發(fā)育起源中的重要性，作者進(jìn)行了一項(xiàng)飲食干預(yù)研究，在常規(guī)條件下給懷孕的ICR小鼠喂食高纖維（HFi）或低纖維（LFi）飲食，然后檢查其后代對(duì)肥胖的易感性。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HFi攝入抑制了HFD引起的體重增加，但當(dāng)給懷孕小鼠使用抗生素時(shí)，HFi飲食的效果被取消，這表明膳食纖維的微生物發(fā)酵有助于抑制肥胖。

與LFi后代相比，HFi后代血漿代謝參數(shù)，能量消耗，交感神經(jīng)功能障礙如體溫降低和心率波動(dòng)也有改善。孕鼠和胚胎血漿樣本的代謝組學(xué)分析顯示，LFi-和HFi-喂養(yǎng)組之間分別有11和4種代謝物發(fā)生了顯著變化，其中4種代謝物在HFi-喂養(yǎng)的孕鼠及其胚胎中普遍增加。在這4種代謝產(chǎn)物中，SCFAs是SPF與GF和LFi與HFi比較中的唯一共同因素。HFi喂養(yǎng)小鼠的胚胎中SCFAs水平顯著高于LFi喂養(yǎng)小鼠。此外，HFi胚胎的血漿胰島素水平顯著高于LFi胚胎，血漿葡萄糖水平顯著降低。因此，母體腸道微生物群通過(guò)發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的SCFAs通過(guò)母體循環(huán)提供給胚胎，改善胎兒葡萄糖穩(wěn)態(tài)，并賦予后代對(duì)肥胖的抵抗力（圖5）。
 

圖5 孕鼠補(bǔ)充膳食纖維可使后代對(duì)肥胖產(chǎn)生抵抗力

考慮到HFi胚胎血漿丙酸水平可能足以激活GPR41和/或GPR43受體，而且正電子發(fā)射斷層掃描（PET）顯示，灌注后40分鐘內(nèi)，結(jié)腸腔內(nèi)C11標(biāo)記的丙酸鹽通過(guò)母體肝臟和血流到達(dá)胚胎。因此，作者進(jìn)一步研究丙酸鹽在后代肥胖抵抗中的作用，給懷孕的ICR小鼠喂食添加丙酸鹽的LFi飲食。這種飲食的攝入提高了孕鼠和胚胎中丙酸的血漿水平。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，丙酸處理抑制了HFD引起的成年后代體重、腎周或皮下WAT質(zhì)量和肝臟重量的增加。與對(duì)照LFi后代相比，丙酸處理的孕鼠后代的血漿代謝參數(shù)、HFD誘導(dǎo)的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗、能量消耗及LFi子代的交感神經(jīng)功能障礙得到改善。

此外，母體丙酸的干預(yù)可以逆轉(zhuǎn)LFi喂養(yǎng)的孕鼠胚胎中交感神經(jīng)向心臟投射的阻滯，以及GLP-1+腸內(nèi)分泌細(xì)胞和胰腺β細(xì)胞分化的阻滯；還可以提高胚胎中的血漿胰島素水平，恢復(fù)到與HFi胚胎相當(dāng)?shù)乃�平。代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，與接受抗生素治療的HFi喂養(yǎng)的孕鼠的后代一致，HFi喂養(yǎng)的GF-ICR孕鼠的后代再現(xiàn)了肥胖傾向的表型，并在孕期給予丙酸鹽予以挽救。這些結(jié)果確定了孕期補(bǔ)充丙酸鹽可使后代對(duì)肥胖有抵抗力（圖6）。
 

圖6 孕鼠補(bǔ)充丙酸鹽可導(dǎo)致后代對(duì)肥胖的抵抗力
 

圖7 總結(jié)圖 | 在懷孕期間，母體腸道菌群
通過(guò)胚胎的SCFA受體影響后代的肥胖趨勢(shì)

總結(jié)

1.在高脂飲食喂食下，GF孕鼠的后代比SPF孕鼠的后代更易患代謝綜合征，且喂食低纖維（LFi）飲食的孕鼠后代中也有類似的表型。

2.孕期小鼠結(jié)腸腔內(nèi)的SCFAs通過(guò)母體肝臟和血流到達(dá)胚胎，作用于胚胎交感神經(jīng)上的受體GPR41以及腸上皮和胰腺上的GPR43，代謝組學(xué)文獻(xiàn)分享，促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞、GLP-1+腸內(nèi)分泌細(xì)胞和胰島β細(xì)胞的分化，從而影響了后代甚至成年后能量代謝的發(fā)展。

3.通過(guò)孕期補(bǔ)充高纖維膳食，以及給GF或LFi喂養(yǎng)的孕鼠補(bǔ)充丙酸，從而使后代對(duì)肥胖具有抵抗力。