“肥胖型”腸道菌群結構是如何形成的？

   美國華盛頓大學系統生物學教授Jeffrey Gorden以及他所領導的研究團隊是腸道菌群研究的先驅。他們2006年發表在Nature上的研究顯示，與瘦人的菌群組成相比，腸道中含量最豐富的兩類細菌，Firmicutes（厚壁菌門）和Bacteroidetes（擬桿菌門）在胖人中有明顯的改變，Firmicutes與Bacteroidetes豐度比值明顯升高。他們還將具有這種特征性豐度比例的胖小鼠的腸道菌以及另一種瘦小鼠的腸道菌移植到無菌鼠的腸道中，兩周后令人驚訝的發現，移植了胖小鼠菌群的無菌鼠的體內脂肪重量比移植了瘦鼠腸道菌的增加了20%。這一研究結果揭示了腸道菌群在肥胖發生中的重要作用，菌群結構嚴重影響到宿主生理、病理的變化，在這以后，有關腸道菌群在肥胖等代謝性疾病中的研究逐漸升溫，成為生物、醫學界的一個科研熱點。目前，這一領域中的研究主要集中于腸道菌群如何調節能量代謝，導致肥胖的發生，而對于十多年前 Jeff Gorden 的發現 - 具有高豐度比例的厚壁菌門/擬桿菌門的“肥胖型”腸道菌群這一結構是如何形成的，研究人員仍然不甚明了。最近，我們組立了一個小課題 - 對高脂飲食后宿主的腸道菌變化進行動態跟蹤，結果發現正是高脂飲食下宿主腸道中膽汁酸濃度上升、種類變化、膽酸池擴大，從而快速、有效地改變了菌群結構，宿主膽汁酸代謝水平的升高是形成“肥胖型”腸道菌群結構特征的一個主要因素。
   我們通過肥胖模型小鼠的研究發現膽汁酸、短鏈脂肪酸、氨基酸、芳香族類等代謝產物對于腸道菌群的改變均有不同程度的貢獻，而膽汁酸的改變與厚壁菌門、擬桿菌門等8個門層次的腸道菌變化相關性最強。膽汁酸是膽汁的主要有機成分，當宿主食用含有脂肪的食物時，膽囊收縮，膽汁排入腸道幫助脂肪的消化和吸收；同時膽汁酸和腸道菌之間存在較強的生化作用關系。一方面腸道菌分泌膽鹽水解酶（BSH）和代謝酶（如7a-去羥化酶），使肝臟合成后進入腸道的初級膽汁酸代謝成次級膽汁酸；另一方面因為膽汁酸本身的結構特性，膽汁酸又具有抑菌性，它們能與細菌的細胞膜磷脂雙分子層有較強的親和力，使細胞膜的完整性遭到破壞，最終殺滅或抑制一部分腸道細菌，從而改變腸道中的微生態。
 

        為了考察膽汁酸與腸道菌群作用的整個生化過程，我們還系統研究了高脂飲食0.5、1、2、3、6、10天，以及4、8周后的膽汁酸和腸道菌群的變化，發現在高脂飲食刺激下，大量膽汁酸進入腸道，在進食12小時時腸道內膽汁酸濃度達到最高，濃度升高的膽汁酸種類也最多。而此時原有的腸道菌群結構組成尚未發生明顯改變。隨著膽汁酸的變化，菌群結構在1天后發生劇烈變化，在第3天時豐度發生變化的菌種數目達到最多。這一結果顯示高脂飲食后首先引起膽汁酸代謝和分泌的增加，腸道膽汁酸濃度和種類快速升高，而這種變化早于腸道菌群結構的變化。
 

        在比較正常組和高脂組小鼠盲腸中膽汁酸和菌群結構的差異時，我們發現高脂組中膽汁酸濃度顯著上升，包括膽酸、鵝去氧膽酸、甘氨結合膽酸（GCA）、牛璜酸結合膽酸（TCA）、牛璜酸結合鵝去氧膽酸、牛璜酸結合去氧膽酸、去氧膽酸、石膽酸、β-鼠膽酸、7-羰基石膽酸的上升。正常組小鼠的腸道菌群結構中，Proteobacteria 豐度占41.91%，Firmicutes 占30.59%，Bacteroidetes 占26.22%，其它豐度較低的包括Verrucomicrobia 0.95%, Deferribacteres 0.12%和Cyanobacteria 0.018%。而高脂組小鼠中，Firmicutes的豐度增加到47.51%，Proteobacteria和 Bacteroidetes的豐度則分別降到34.86%和16.94%，Firmicutes與Bacteroidetes的豐度比值明顯升高，這一結果與Jeff Gorden 的發現高度吻合。將膽汁酸和腸道菌豐度作相關性分析時發現，在所檢測到的42種膽汁酸中，有33個膽汁酸至少和一個菌種成顯著相關性，且與多數的Bacteroidetes和Verrucomicrobia門的菌成負相關，與Firumicutes 和Proteobacteria門的菌成正相關。   
        如果膽汁酸是形成“肥胖型”菌群結構的一個主要因素，那么不用高脂飲食，就膽汁酸本身是否可以模擬出這個“肥胖型”菌群結構，從而具有“增肥”效應？我們做了一個代謝組學實驗，在一組小鼠的（正常）飼料中添加膽汁酸（TCA和GCA），結果顯示飲食中加入膽汁酸后，小鼠的體重、脂肪重量、肝重、血清膽固醇均顯著升高，腸道菌結構則接近于高脂肥胖組的變化趨勢。相反地，在另一組高脂飲食小鼠的飼料中加入一種小分子化合物（GW4064）來抑制小鼠膽汁酸合成，減少膽汁酸的代謝和分泌，結果這一組小鼠的體重、脂肪重量、肝重、血清膽固醇均顯著降低，腸道菌結構亦有向正常組回歸的趨勢。這一研究結果為膽汁酸是腸道菌群變化的重要因素提供了直接的證據。

        本研究通過代謝組與腸道菌結構的相關性，發現膽汁酸的變化是形成“肥胖型”腸道菌群結構特征的一個核心因素，揭示了膽汁酸代謝是宿主改變腸道菌群結構的一個重要機制。目前膽汁酸-腸道菌群的相互作用這一領域正備受研究者們的關注，正在為肥胖和代謝性疾病機制以及干預策略的研究提供全新的線索和思路，而對膽汁酸的代謝進行干預和調整很可能成為未來預防和治療肥胖和糖尿病的有效方法。

參考文獻

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