編譯：微科盟溧陽，編輯：微科盟居居、江舜堯。

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導(dǎo)讀  

肥胖和相關(guān)合并癥是當(dāng)今世界面臨的主要健康挑戰(zhàn)，其發(fā)病率在全球范圍迅速上升。腸道微生物組最近已成為人類健康的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，可影響肥胖的發(fā)生和發(fā)展，這主要是因?yàn)樗鼌⑴c了食物攝入和代謝的調(diào)節(jié)。然而，深入探討人體腸道微生物組在肥胖中的作用的研究仍然很少，而探究其與飲食行為關(guān)系的研究更少。為了提高我們對肥胖表型中腸道-微生物-大腦軸的了解，在意大利女性隊(duì)列中表征了肥胖的腸道微生物組特征。收集了63名超重/肥胖女性和37名正常體重女性的糞便樣本，并通過16S rRNA擴(kuò)增子測序、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和脂質(zhì)組學(xué)的多組學(xué)方法進(jìn)行分析。然后尋找與人體測量、臨床、生化和營養(yǎng)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，特別關(guān)注飲食的認(rèn)知和行為方面。本研究確定了腸道微生物組的四個(gè)組成聚類，雖然它們與體重沒有明顯關(guān)聯(lián)，但與飲食習(xí)慣和行為有不同的相關(guān)性。這些聚類在功能特征上也有差異，即轉(zhuǎn)錄活性和糞便代謝產(chǎn)物。特別是飲食行為不受控制的OB女性主要以低多樣性微生物為特征，很少且相關(guān)性差的物種(如Ruminococcus torques和Bifidobacterium spp.)表現(xiàn)出低轉(zhuǎn)錄活性，特別是參與次級膽汁酸生物合成和神經(jīng)內(nèi)分泌信號傳導(dǎo)(即神經(jīng)遞質(zhì)、吲哚和大麻素受體配體的產(chǎn)生)的基因。在糞便中發(fā)現(xiàn)了大量的初級膽汁酸和固醇。通過發(fā)現(xiàn)與飲食模式相關(guān)的特殊腸道微生物組，為闡明肥胖表型中的腸-腦軸通信奠定了基礎(chǔ)。在確認(rèn)本文提出的假設(shè)的前提下，我們的工作可以幫助指導(dǎo)設(shè)計(jì)基于微生物組的精確干預(yù)措施，旨在重組微生物網(wǎng)絡(luò)，以支持健康飲食-微生物組-腸-腦軸，從而抵消肥胖和相關(guān)并發(fā)癥。  

論文ID

原名：Multi-omics gut microbiome signatures in obese women: role of diet and uncontrolled eating behavior

譯名：肥胖女性的多組學(xué)腸道微生物組特征：飲食和不受控制的飲食行為的作用

期刊：BMC Medicine

IF：11.15

發(fā)表時(shí)間：2022.12

通訊作者：Silvia Turroni

通訊作者單位：意大利博洛尼亞大學(xué)

DOI號：10.1186/s12916-022-02689-3

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)果

1.研究隊(duì)列描述

招募100名絕經(jīng)前婦女，表1報(bào)告了所有招募參與者的人體測量和實(shí)驗(yàn)室參數(shù)以及心理測試結(jié)果。整個(gè)研究隊(duì)列包括63名超重/肥胖(OB；BMI為25.6至39.8 kg/m2)和37名正常體重(NW；BMI為18.5至24.6 kg/m2)女性。與NW組相比，OB女性的體重、BMI、腰圍和臀圍以及腰臀比顯著增高(P<0.001)，收縮壓和舒張壓更高(P≤0.001)，其中三名OB女性接受了降壓治療。與NW組相比，OB組女性的總膽固醇和甘油三酯水平更高(P≤0.04)，而NW組的高密度脂蛋白膽固醇更高(P=0.003)。OB組的葡萄糖代謝指數(shù)(即血糖、胰島素、糖化血紅蛋白以及口服葡萄糖耐量試驗(yàn)期間葡萄糖和胰島素的曲線下面積(AUC))高于NW組(P<0.001)。五名OB女性和一名NW女性空腹血糖水平大于100 mg/dl，但均未患2型糖尿病。最后，OB組的胰島素抵抗患者比例明顯高于NW組(OB組為44.4%，NW組為0%，P<0.001)，這與胰島素抵抗/敏感表型與BMI之間的關(guān)系一致，并有較強(qiáng)相關(guān)性(r=0.478，P<0.0001)。心理測試問卷因其中一些數(shù)據(jù)不完整(參與者填寫不完整)而被丟棄：12份BITE、10份TFEQ(三因素飲食問卷)和4份PSS(壓力知覺量表)。一名OB女性在兩個(gè)BITE分量表中表現(xiàn)出高分，表明很有可能符合飲食障礙診斷標(biāo)準(zhǔn)。TFEQ分量表的平均得分如下：TFEQ UE(不受控制的進(jìn)食)為16.91±5.37；TFEQ CR(認(rèn)知抑制)為14.35±4.27；TFEQ EE(情緒進(jìn)食)為7.59±2.98。在完成YFAS(耶魯食物成癮量表)的100名參與者中，14名(均屬于OB組)被診斷為FA(食物成癮)，而整個(gè)隊(duì)列的平均FA癥狀評分為2.28±1.55。NW組中沒有一位女性表現(xiàn)出高FA分?jǐn)?shù)。平均PSS評分為16.03±5.91；兩名OB患者表現(xiàn)出較高的PSS評分。與NW組相比，OB組在BITE嚴(yán)重程度(P<0.001)、TFEQ CR(P<0.001)、TFEQ EE(P<0.001)和FA癥狀評分(P<0.001)以及FA診斷(P<0.01)方面表現(xiàn)出顯著更高的分?jǐn)?shù)。

表1 入選女性的基線特征：人體測量、生化和激素參數(shù)以及心理測量數(shù)據(jù)。Wilcoxon秩和檢驗(yàn)得到的P值為NW與OB的比較(顯著值為粗體)。

2.腸道菌群分析和聚類鑒定

16S rRNA基因測序共產(chǎn)生650萬條序列，平均每個(gè)樣本73152(±38578，sd) reads，11874個(gè)操作分類單元(OTUs)的序列同一性為97%。OB和NW組的GM(腸道微生物組)多樣性和結(jié)構(gòu)存在顯著差異(圖1)?；贠TU比例的Spearman相關(guān)系數(shù)的分層聚類識別到四種聚類模式(命名為C1至C4；圖2)。其中一個(gè)聚類包括48%的NW女性(C1)，而其余三個(gè)聚類(C2-C4)主要包括OB女性(C2：72%；C3和C4：64%)，但不同聚類間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.38)。有趣的是，這四個(gè)聚類的生物多樣性也不同，C1和C3多樣性最高，而C2和C4最低(P<8×10?4)。C2的多樣性低于C1和C3(P<3×10?4)，而C4多樣性比C1更低(P=0.05)(圖2)。為了確定整個(gè)數(shù)據(jù)集GM結(jié)構(gòu)的趨勢，首先建立了屬的共豐度關(guān)聯(lián)，將相關(guān)細(xì)菌分類群聚類為五個(gè)共豐度組(CAGs)，根據(jù)每組中的優(yōu)勢(即最豐富的)屬來命名：Bifidobacterium(紫色)、Ruminococcus(藍(lán)色)、Dorea(綠色)、Prevotella(淺藍(lán)色)和Bacteroides(粉色)。Wiggum圖顯示了通過OTU確定的四個(gè)聚類的GM組成關(guān)系，顯示出五個(gè)CAG的獨(dú)特豐度模式(圖3)。每個(gè)聚類(C1至C4)構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，代表一組顯著不同于其他組的GM結(jié)構(gòu)特征的個(gè)體(P<0.001)。然而，應(yīng)注意的是，在基于加權(quán)UniFrac的PCoA中，不同聚類間沒有顯著分離(P>0.05)，這表明差異與豐富的GM組成無關(guān)。通過比較主要屬的相對豐度也證實(shí)了這些結(jié)果。從包括大多數(shù)NW女性的聚類(即C1)到主要包括OB女性的聚類(C2-C4)，微生物群的變化伴隨著獨(dú)特的優(yōu)勢CAG。具體而言，C1的特征是所有5個(gè)CAG的共存和較高的Prevotella相對豐度。而在C2-C4中，5個(gè)CAGs中至少有一種缺失。在C2中，盡管沒有Bifidobacterium CAG，但保留了其他四個(gè)代表性CAG。另一方面，C3缺少Bifidobacterium CAG，但Prevotella和Ruminococcus CAG的豐度較高。最后，C4的特征是在Bifidobacterium CAG富集的同時(shí)，缺少Bacteroides CAG。

圖1 超重/肥胖女性的腸道菌群結(jié)構(gòu)與正常體重女性的腸道菌群結(jié)構(gòu)不同。

(a)使用Shannon指數(shù)和observed OTUs來衡量超重/肥胖(OB)和正常體重(NW)女性腸道菌群的α多樣性；(b)基于OB和NW女性腸道微生物群分布之間未加權(quán)UniFrac距離的主坐標(biāo)分析(PCoA)圖(p=0.007)。橢圓表示每個(gè)組95%的置信區(qū)間。(c)顯示兩組間顯著差異細(xì)菌屬的相對豐度分布的箱線圖。*p?<?0.05; ** p?<?0.01; *** p?<?0.001;Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。

圖2 腸道微生物群結(jié)構(gòu)允許將整個(gè)數(shù)據(jù)集分為四個(gè)不同的聚類。

(a)基于OTU相對豐度的Spearman相關(guān)系數(shù)的分層聚類，過濾至少20%的參與者的存在。擬桿菌門，藍(lán)色；厚壁菌門，綠色；變形菌門，紅色；放線菌門，黃色。底部的條形圖顯示了微生物群的相對豐度。(b)條形圖顯示了每個(gè)聚類中正常體重(NW)和超重/肥胖(OB)女性的百分比，以及后者在BMI狀態(tài)方面的分布：超重(OW)、1級肥胖(OB1)和2級肥胖(OB2)。(d)使用Shannon指數(shù)和observed OTUs測量四個(gè)微生物群(C1–C4)的α多樣性。

圖3 正常體重和超重/肥胖女性的腸道微生物結(jié)構(gòu)與飲食行為相關(guān)。

PCoA圖顯示了四種顯著不同的聚類(C1至C4；P<0.001。餅圖代表了每個(gè)聚類中正常體重(青色)和超重/肥胖(粉色)女性的分布；圓形顏色指CAG，根據(jù)每組中最豐富的屬來命名：Bifidobacterium(紫色)、Ruminococcus(藍(lán)色)、Dorea(綠色)、Prevotella(淺藍(lán)色)和Bacteroides(粉色)。

3.正常體重和超重/肥胖女性的微生物群與臨床和行為指標(biāo)之間的關(guān)系

人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和臨床變量以及飲食行為與非加權(quán)uniFrac PCoA分析主軸的關(guān)系如圖3和表2所示。特別是，基于整個(gè)隊(duì)列的分位數(shù)(中位數(shù))年齡調(diào)整回歸分析，GM結(jié)構(gòu)向負(fù)PCo2值的轉(zhuǎn)變(如低多樣性聚類C4)與較高的BITE癥狀評分(表明暴食行為)和TFEQ UE評分(表明不受控制的飲食)相關(guān)。比較四組參與者的基線臨床狀況，發(fā)現(xiàn)人體測量數(shù)據(jù)以及生化特征和炎癥生物標(biāo)志物均沒有差異。除尿酸外，所有組中參數(shù)都相似，C2組的尿酸高于C4組(P=0.02)，但這些值仍在正常范圍內(nèi)(表3)。盡管沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但與C3或C4相比，C2組參與者的甘油三酯、胰島素(AUC)和促甲狀腺激素水平也更高(P≤0.08)。最后，在比較C1-C4組時(shí)，沒有發(fā)現(xiàn)胰島素抵抗率的差異(P=0.47)。關(guān)于心理測試，C2顯示出最高的BITE嚴(yán)重性評分(P=0.1)，而C4顯示出最高BITE癥狀評分(P＝0.1)，與PCo2軸的關(guān)聯(lián)一致(圖3)。

為了進(jìn)一步探討GM與飲食行為之間的關(guān)系，根據(jù)YFAS問卷，并考慮飲食行為引起的壓力影響，根據(jù)對不受控制的飲食行為的診斷，將OB女性分為以下三組：低成癮性進(jìn)食行為(即有2種或更少癥狀，O_LA)和高成癮性進(jìn)食行為(即有3種或更多癥狀)，伴有(O_DHA)或無(O_HA) FA。C1的O_DHA女性比例最低(7%)，C2最高(36%)。另一方面，C1組與C2組的O_HA女性比例相似(C1組為19%，C2組為18%)。C4的O_HA女性比例最高(36%)，其次是C3(27%)。O_LA女性的比例在C1組最高(26%)，而在其他組相似(C2組：18%；C3：18%；C4：14%)。NW女性中沒有一人表現(xiàn)出不受控制的飲食行為。

表2 參與者元數(shù)據(jù)和微生物群組成之間的關(guān)聯(lián)。

表3 四種腸道微生物群的人體測量、生化和激素參數(shù)以及心理測試數(shù)據(jù)的比較。

4.飲食對正常體重和超重/肥胖女性腸道菌群的影響

為了確定影響GM排序(P<0.05)的食物類型，將食物頻率問卷(FFQ)的食物數(shù)據(jù)疊加在圖3的未加權(quán)UniFrac PCoA圖上(圖4)。調(diào)味品和調(diào)味料、橄欖油、油炸土豆和香腸以及加糖飲料、牛奶和酸奶的攝入增加與C2的GM結(jié)構(gòu)有關(guān)。另一方面，C4的特點(diǎn)是奶酪的攝入量較高，而C1和C3的特點(diǎn)是上述所有食物的攝入量較低。纖維攝入量(克/1000千卡)與PCoA第一軸呈正相關(guān)，并且在C1中似乎更高(圖4b)。其他三個(gè)聚類顯示出相似的纖維攝入量，且C2低于C1(P=0.03)?？偰芰繑z入(kcal/天)呈相反趨勢，與PCo1呈負(fù)相關(guān)，在C2、C3和C4聚類中更高(圖4b)。與更大的不受控制飲食傾向(TFEQ UE)和加重的BITE癥狀評分一致，C4聚類顯示出比C1更高的能量攝入(P=0.04)。在大量營養(yǎng)素?cái)z入方面(圖4c)，與C1相比，C4的碳水化合物攝入增加，脂肪攝入減少(分別為0.05和0.04)。C3的脂肪攝入量也低于C1(P=0.01)。

進(jìn)一步探究了FFQ數(shù)據(jù)，其中第一個(gè)軸描述了超過13.7%的數(shù)據(jù)集方差，包含了之前對微生物群PCoA的FFQ數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析中確定的大部分食物類型(即奶酪、加糖飲料、調(diào)味料和調(diào)味品)?；赪ard連鎖聚類和歐式距離，共識別到三個(gè)飲食組：D1(低蛋白/高碳水化合物)、D2(高蛋白/低碳水化合物)和D3(高脂肪/高蛋白)(圖5a)。D1的特點(diǎn)是更多地食用甜食、餅干和雞蛋，D2食用咸零食、油炸食品、肉類、火腿片和自制三明治，而D3食用乳制品(即奶酪、牛奶和酸奶)。隨后，根據(jù)攝入食物的數(shù)量、分布和健康價(jià)值計(jì)算了每個(gè)飲食組的健康食物多樣性(HFD)指數(shù)。HFD顯示，D2和D3是最多樣化的飲食，而D1最少(P=0.0002；圖5b)。

通過匹配受試者的飲食和微生物組，尋找與OB表型相關(guān)的組合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在OB女性中，較少多樣化的D1飲食和C2微生物群的組合最為普遍(占OB的25%)，特別是在O_LA(14%)和O_DHA(6%)女性中，其次是O_HA女性中的D1-C4組合(6%)。有趣的是，沒有OB女性屬于D2-C4組合，對于NW亞組，發(fā)現(xiàn)三個(gè)飲食組在C1微生物群中分布均勻，其中D1-C1組合最為普遍(占NW的19%)。五分之三具有C4微生物群結(jié)構(gòu)的NW女性(8%)與多樣化較低的D1飲食有關(guān)，而其余五分之二(5%)與D2飲食有關(guān)。

圖4 不同的食物消耗量表征了不同的微生物結(jié)構(gòu)。(a)基于糞便微生物群的非加權(quán)UniFrac距離的PCoA。

僅顯示與樣本分離顯著相關(guān)的食品類型(P<0.05)。不同聚類用不同顏色表示(C1–C4，見圖1)。底部的黑色箭頭表示沿著PCo1的微生物群多樣性、能量和纖維攝入梯度的方向。(b)所有女性的總能量攝入(單位：千卡/天)和纖維消耗量(單位：每1000千卡消耗的纖維克數(shù))以及(c)大量營養(yǎng)素?cái)z入的百分比匯總。

圖5 不同女性的飲食模式在健康食物多樣性指數(shù)方面不同。

(a)熱圖通過Ward連鎖聚類和歐式距離顯示了三個(gè)飲食組(D1–D3)，歐氏距離應(yīng)用于食物頻率問卷數(shù)據(jù)的對應(yīng)分析中的第一特征向量。(b)健康食物多樣性(HFD)指數(shù)在各飲食組中的分布的箱線圖。*p?=?0.02; *** p?=?0.0001;Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。

5.肥胖和不受控制的飲食行為的物種水平微生物組特征

對45個(gè)DNA樣本(31個(gè)OB女性，14個(gè)NW女性)進(jìn)行宏基因組測序，共獲得15 Gb的配對末端reads。宏基因組數(shù)據(jù)集主要由8種細(xì)菌組成，它們對生態(tài)系統(tǒng)變異的貢獻(xiàn)率為52.5–56.6%，并在四個(gè)聚類(C1-C4)中分布不同：Faecaliberium prausnitzii、Bifidobacterium adolescentis、Bifidobacteria longum、 Ruminococccus bromiii、Eubacterium rectale、Akkermansia muciniphila、Bacteroides vulgatus和Subdoligranulum spp.(圖6a)。特別是，與C2相比(P=0.03)，C1聚類中富含R. bromii；與C3和C4相比(P<0.03)，C1中富含F(xiàn). prausnitzii(圖6b)。另一方面，與C1相比，C2富含Ruminococcus torques(P=0.05)，這是一種會損害腸道屏障完整性的粘液溶解細(xì)菌。此外，相對于C1和C3(P<0.02)以及C1和C4(P<0.03)，C2中A. muciniphila和R. bromii豐度較低。至于其他主要表征進(jìn)食行為不受控制的OB女性的其他GM類型(即C3和C4)，C3顯示出比C2更高水平的A. muciniphila和Subdoligranulum spp.(P<0.02)。與C3相比，C4中E. rectale豐度較高(P=0.008)，以及與其他三組相比，C4中B. adolescentis和B. bifidum豐度較高(P<0.05)，可能是由于奶酪的消費(fèi)量較大。

圖6 種水平上的菌群特征。

(a)參與者腸道微生物在種水平上的相對豐度；(b)研究組之間豐度顯著較高或較低的細(xì)菌物種相對豐度分布的箱線圖。*p?<?0.05; ** p?<?0.005; *** p?<?0.0005; Wilcoxon秩和檢驗(yàn)。

7.肥胖和不受控制的飲食行為中腸道微生物組和糞便脂質(zhì)組的轉(zhuǎn)錄活性

對同一樣本進(jìn)行了宏基因組測序，以研究不同GM聚類的物種水平部分及其轉(zhuǎn)錄活性。根據(jù)我們的發(fā)現(xiàn)，主要由NW女性組成的C1聚類中最具轉(zhuǎn)錄活性的部分包括八種Bacteroides spp.(即B. faecis、B. finegoldii、B. cellulosilyticus、B. massiliensis、B. coprophilus、B. dorei、B. plebeius、B. vulgatus)、兩種Bifidobacterium spp.(B. dentium和B. animalis)、Coprococcus catus、Lachnospiraceae bacterium(5_1_63FAA)、兩種Roseburia spp.(R. intestinalis和R. inulinivorans)和Escherichia coli。在包含更多OB女性的C2、C3、C4聚類中發(fā)現(xiàn)總體上Bacteroides spp. 減少，而富含一般的次優(yōu)勢物種(例如，Anaerostipes hadrus和Anaerostipes finegoldii以及C4中的Gordonibacter pamelaae)。另一方面，當(dāng)與其他聚類(即C1、C2、C4)相比時(shí)，發(fā)現(xiàn)C3具有轉(zhuǎn)錄活性物種(主要包括O_HA女性)多樣性最高，其主要特征是三種Alistipes spp.(即A. finegoldii、A. onderdonkii、A. shahii)、Megamonas hypergale、兩種Coprococcus spp.(即C. sp. ART55 1和C. eutractus)、Parabacteroides distasonis、Barnesiella intestinihominis、三種Bacteroides spp. (B. nordii、B. ovatu、B. vulgatus)、三種Ruminococcus spp.(即R. torque、R. obeum、R. bromii)、R. intestinalis、Methanobrevibacter smithii、兩種Eubacterium spp.(E. eligens、E. siraeum)和E. coli過多。最后，發(fā)現(xiàn)C4(包括最高比例的O_HA女性)的轉(zhuǎn)錄多樣性最低，其特征是很少但極其活躍的細(xì)菌種類，包括G. pamelaeae、Lactobacillus casei/paracasei、B. bifidum、Adlercreutzia equolifaciens、E. rectale、Roseburia hominis和S. thermophilus。

接下來，我們評估了四種GM中的核心物種和基因分布，重點(diǎn)關(guān)注涉及碳水化合物、氨基酸、脂質(zhì)和外源代謝的KEGG途徑。發(fā)現(xiàn)只有C1和C2的細(xì)菌物種覆蓋了所有上述代謝活動。另一方面，C3聚類顯示出更高的生物多樣性，主要與碳水化合物和氨基酸代謝有關(guān)，而C4幾乎沒有外源代謝。在KEGG通路的分布方面，糖酵解具有最高的轉(zhuǎn)錄豐度，并且與核苷酸糖和丙酮酸代謝通路一起在所有樣本中都過度轉(zhuǎn)錄。其他轉(zhuǎn)錄組途徑包括單糖(如果糖、甘露糖和半乳糖)的分解和支持核酸合成的非氧化磷酸戊糖循環(huán)以及必需和含硫氨基酸代謝(如甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸)。在不同聚類特異性方面，C1轉(zhuǎn)錄組在上述功能中特別豐富，表明通過相應(yīng)的GM實(shí)現(xiàn)了總體有效的基礎(chǔ)代謝。另一方面，C2顯示出丙酸鹽代謝特有的高轉(zhuǎn)錄物豐度。C3轉(zhuǎn)錄組總體上是最活躍和多樣化的，大量轉(zhuǎn)錄物參與幾種氨基酸代謝、脂肪酸生物合成、丁酸代謝和戊糖/葡萄糖醛酸鹽的相互轉(zhuǎn)化。C4轉(zhuǎn)錄組顯示用于甘油脂和甘油磷脂代謝的轉(zhuǎn)錄物豐度增加，表明脂肪酸消化發(fā)生變化。還值得注意的是，C3和C4都顯示出參與芳香族氨基酸(即苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)生物合成的基因轉(zhuǎn)錄增加，已知芳香族氨基酸參與腸-腦通訊。

最后，對糞便樣本進(jìn)行的脂質(zhì)組學(xué)分析識別出一些代謝物，與C3和C4相比，C1和C2中的SCFAs(即丁酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽)水平更高(P≤0.01)，C3和C4富含大量轉(zhuǎn)化甾醇，如糞甾醇、5β-谷甾醇和5β-樟腦甾醇(P≤0.04)。另一方面，最高水平膽固醇與C2相關(guān)(P≤0.05)。根據(jù)Matysik等人提出的定義，C2包括許多非膽固醇和低膽固醇轉(zhuǎn)換物，而C3中包括許多高膽固醇和非膽固醇轉(zhuǎn)換物。C2和C4中膽汁酸總量更高，其中C2和C4特別富含膽酸和鵝去氧膽酸(P≤0.03)。

通過sPLS探究脂質(zhì)組學(xué)與GM轉(zhuǎn)錄活性之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)主要包括OB女性(尤其是C4)的GM聚類特征之間的相關(guān)性最強(qiáng)。特別是，5β-谷甾醇(C3和C4中富集)與F. prausnitzii參與的次級膽汁酸生物合成，以及B. longum(與半乳糖代謝、糖酵解/糖異生、半胱氨酸和蛋氨酸代謝相關(guān))和R. bromii參與的甘油脂代謝途徑呈正相關(guān)。后者與B. longum參與的半乳糖代謝一起，也顯示出與SCFAs中乙酸和丙酸較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，與它們在C3和C4中的較低水平一致。

8.與代謝穩(wěn)態(tài)相關(guān)的微生物基因的轉(zhuǎn)錄變異

8.1 食物攝入和能量消耗——ClpB和膽汁酸

一些GM衍生代謝物和細(xì)菌蛋白能參與大腦交流并調(diào)節(jié)能量攝入。其中，伴侶蛋白ClpB(酪蛋白水解肽酶B)已被證明模擬了促厭食的POMC衍生的α-MSH(α-促黑素細(xì)胞激素)激素，能夠影響宿主食欲。另一方面，由于膽汁酸在脂質(zhì)吸收中的作用，以及通過激活參與產(chǎn)熱的宿主受體，有助于調(diào)節(jié)宿主能量穩(wěn)態(tài)。因此，本研究專門評估了四個(gè)GM聚類中ClpB和參與膽汁酸微生物代謝的酶的轉(zhuǎn)錄水平。ClpB僅在C1(主要包括NW女性)中由A. muciniphila、在C2(主要在O_DHA女性)中由L. ruminis、以及在C1、C3和C4中由A. equolifaciens轉(zhuǎn)錄。在膽汁酸代謝方面，發(fā)現(xiàn)了三種酶的特異性轉(zhuǎn)錄水平，即膽酰甘氨酸水解酶(K01442)、7-α-羥基類固醇脫氫酶(K00076)和3-脫氫-膽汁酸δ4,6-還原酶(K07007)。編碼初級膽汁酸解偶聯(lián)酶K01442的微生物基因被C1和C3的幾個(gè)微生物物種轉(zhuǎn)錄，即C1中的R. intestinalis、C. catus、B. animalis、Coprococcus comes、Eubacterium ventriosum、Dorea longicatena和A. shahii、C3中的R. obeum、M. smithii、A. finegoldii、P. distasonis、Eubacterium hallii、A. onderdonkii和A. equolifaciens。相反，K01442在C2和C4中分別由A. hadrus和L. casei/paracasei轉(zhuǎn)錄。K00076參與次級膽汁酸生物合成，發(fā)現(xiàn)它僅在C1中由E. coli轉(zhuǎn)錄，而無論飲食行為如何，在包括更多比例OB女性的C2-C4聚類中沒有觀察到轉(zhuǎn)錄活性。K07007是另一種參與次級膽汁酸生物合成的酶，在C1中由C. catus和M. smithii轉(zhuǎn)錄，在C2中由R. obeum、A. shahii和E. rectale轉(zhuǎn)錄，以及在C3中由R. bromii、Coprococcus sp. ART55_1和M. hypermegale轉(zhuǎn)錄，而在C4中只觀察到F. prausnitzii和R. homanis微弱的轉(zhuǎn)錄活性。

8.2 神經(jīng)內(nèi)分泌信號色氨酸代謝物、阿片類、內(nèi)源性大麻素和GABA

隨后研究了專門參與色氨酸(Trp)、內(nèi)源性大麻素(eCBs)和阿片類藥物代謝以及GABA(能夠與中樞神經(jīng)系統(tǒng)相互作用并影響攝食行為的生物活性分子)生物合成的微生物轉(zhuǎn)錄活性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)C1和C4的Trp相關(guān)轉(zhuǎn)錄活性較C2和C3低，只有輕微的轉(zhuǎn)錄活性負(fù)責(zé)吲哚-3丙酮酸轉(zhuǎn)化為吲哚-3乳酸(K03778)，分別歸屬于R. ntestinalis和R. hominis。另一方面，雖然由不同細(xì)菌參與，但C2、C3、C4(主要包括OB女性)聚類均通過其他基因(K00170和K00172)增加了丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)錄活性。有趣的是，主要包括O_DHA女性的C3聚類具有最高的微生物活性，可通過色氨酸酶(K01667)將Trp直接轉(zhuǎn)化為吲哚，其中A. finegoldii、A. muciniphila、A. shahii、B. ovatus和A. onderndonkii是轉(zhuǎn)錄活性最高的物種。關(guān)于eCB系統(tǒng)，我們查詢了轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集，以獲取參與大麻素受體內(nèi)源性配體前體生物合成的微生物酶。結(jié)果顯示，三酰甘油脂肪酶(K01046)參與二?；视偷男纬?，其僅在C1中由B. dentium轉(zhuǎn)錄。C2顯示出B. dentium的殘留活性，而在C3和C4中未觀察到轉(zhuǎn)錄活性。

關(guān)于阿片類代謝，C1顯示出β-葡萄糖醛酸酶(K01995)的最高轉(zhuǎn)錄水平，β-葡萄糖醛酸酶是參與嗎啡代謝途徑的微生物酶，由B. dentium、B. longum和B. finegoldii產(chǎn)生。另一方面，在包含更多OB女性的聚類中未發(fā)現(xiàn)Bifidobacterium和Bacteroides spp.的轉(zhuǎn)錄活性，C2中的E. coli、C3中的F . prausnitzii和C4中的R. hominis僅具有輕微轉(zhuǎn)錄活性。

最后，參與GABA產(chǎn)生的谷氨酸脫羧酶基因(K01580)在C1中由B. faecis、B. cellulolyticus、B. uniformi和B. finegoldii轉(zhuǎn)錄。對于主要包括OB女性的GM類型，K01580在C2中由B. dentium和B. fragilis轉(zhuǎn)錄，在C3中由Bacteroides egghertii、B. nordii、B. caccae、B. ovatus和A. finegoldii轉(zhuǎn)錄。有趣的是，在C4中觀察到較低甚至為零的轉(zhuǎn)錄活性。

討論

這是第一項(xiàng)使用多組學(xué)方法來探討肥胖患者的基因、飲食和不受控制的飲食行為之間的關(guān)聯(lián)的研究。所有這些數(shù)據(jù)都與飲食攝入和各種臨床和心理測量方法相結(jié)合，以提供肥胖表型表征中的腸-腦軸通訊。正如在其他研究中已經(jīng)觀察到的，我們首先表明，與NW女性相比，OB女性的GM具有一些不良生物特征，即多樣性減少和組成變化，包括典型的健康相關(guān)分類群(主要是來自Lachnospiraceae和Ruminococceae科的SCFA生產(chǎn)菌)的比例降低，而機(jī)會病原體或致病菌(例如Ruminococcus)的比例增加。

接下來，為了進(jìn)一步探究GM結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)態(tài)方面，通過評估GM之間的相似程度，確定了獨(dú)特的菌群組成，每個(gè)聚類都具有不同的成員及它們之間的相互聯(lián)系。在本研究中，我們確定了4個(gè)GM集群(C1-C4)，它們的生物多樣性不同，C1和C3值最高，C2和C4值最低，CAG豐度也不同。其中C1是最多樣的，同時(shí)存在五種鑒定到的CAG(即Bifidobacterium、Prevotella、Ruminococcus、Dorea和Bacteroides CAGs)，而其他聚類至少缺少一種CAG，如C2和C3的Bifidobacterium CAG和C4的Bacteroides CAG。此外，C4的特征是有較高豐度的Bifidobacterium CAG。在探究與宿主表型數(shù)據(jù)的聯(lián)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)C2聚類中的女性在尿酸含量方面存在差異，并表現(xiàn)出甘油三酯、胰島素和促甲狀腺激素水平較高的趨勢。飲食行為方面，暴飲暴食行為和不受控制的飲食與C4聚類有特殊關(guān)聯(lián)。根據(jù)YFAS調(diào)查問卷的定義，這一聚類中O_HA女性的比例最高，即具有高成癮性飲食行為。另一方面，C2包含的O_DHA女性比例最高，而C1最低。

飲食習(xí)慣方面，我們發(fā)現(xiàn)總能量攝入量在包括較多OB女性(即C2至C4)的群體中較高，這與更大的不受控制的飲食傾向和加劇的BITE癥狀評分一致。與C1相比，C4還與碳水化合物攝入增加和脂肪攝入減少有關(guān)，而后者的特點(diǎn)是纖維消耗量最高。最近在人群水平隊(duì)列中研究了GM與健康相關(guān)飲食之間的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)了基于食物來源異質(zhì)性、質(zhì)量和飲食模式的有利和不利微生物群的變化。我們的研究結(jié)果也與Medawar最近關(guān)于飲食行為與膳食纖維攝入之間關(guān)系的研究結(jié)果一致，這表明屬于Ruminococcus屬的有益細(xì)菌(在C2聚類中豐度較低)與更健康的飲食行為相關(guān)。GM更傾向于解釋肥胖引起代謝表型的改變(例如我們研究中的C2聚類)，與其說與不健康食品的消費(fèi)有關(guān)，不如說與Ruminococceae和Lachnospiraceae科的缺失有關(guān)，這通常與對胰島素和葡萄糖穩(wěn)態(tài)的有益作用有關(guān)。

然后應(yīng)用宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)，以進(jìn)一步探索所識別的不同GM聚類的分類結(jié)構(gòu)和功能。前者使我們能夠識別一些有區(qū)別的物種，如有益分類群R. bromii和F. prausnitzii，其在C1聚類中富集，以及A. muciniphila，在C3中富集。Akkermansia屬被確定為下一代益生菌，并因其參與改善代謝受損個(gè)體的代謝健康而被廣泛研究，其在OB女性中與FA呈負(fù)相關(guān)。另一方面，另一種粘液分解菌R. torque在C2中更常見(主要包括O_DHA女性)，其在代謝綜合征和炎癥性腸病患者中豐度增加。此外，該菌已被證明通過抑制A. muciniphila的生長來改變外粘液層中的微生物生態(tài)位，并改變腸道屏障，從而導(dǎo)致代謝性內(nèi)毒素血癥。最后，C4聚類(O_HA女性比例最高)相關(guān)的結(jié)構(gòu)主要以Bifidobacterium spp.為特征。后一發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有文獻(xiàn)相反，文獻(xiàn)表明雙歧桿菌不僅可以通過影響腸道食欲激素和GM組成來改善OB女性的體重，甚至還可以作為精神生物制劑影響壓力、焦慮和抑郁相關(guān)行為。此外，Kohn及其同事最近探究了細(xì)菌屬與大腦網(wǎng)絡(luò)連通性之間的關(guān)聯(lián)，為雙歧桿菌豐度與注意力和潛在記憶相關(guān)的大腦網(wǎng)絡(luò)活動之間的關(guān)系提供了證據(jù)。另一方面，如上所述，Bifidobacterium在C4中的高豐度可能與奶酪的較高攝入量有關(guān)。

總的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)與先前關(guān)于GM聚類組成結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)一致，即C1和C3在轉(zhuǎn)錄活性物種方面也是最多樣的，而C2和C4較低(尤其是C4)，并且傾向于僅由少數(shù)物種主導(dǎo)轉(zhuǎn)錄。此外，主要包括OB女性的所有聚類中Bacteroides spp.的總體豐度下降。盡管關(guān)于肥胖患者中Bacteroides spp.水平的數(shù)據(jù)存在矛盾，但最近一項(xiàng)針對OB女性FA的研究強(qiáng)調(diào)了該屬與大腦區(qū)域的連通性呈負(fù)相關(guān)，而與神經(jīng)保護(hù)代謝產(chǎn)物吲哚丙酸酯呈正相關(guān)。值得注意的是，C4聚類顯示出Bifidobacterium spp.的活性增加，但也顯示出其他一般次優(yōu)勢種的活性增加，如G. pamelae。后者從一名患有急性克羅恩病的患者的結(jié)腸中分離出來，表明其可能具有促炎作用，并發(fā)現(xiàn)其僅能代謝少量碳源，這可能支持C4聚類與多樣化飲食的關(guān)聯(lián)。

即使在功能層面上，C4聚類也是最差的，幾乎沒有參與外源代謝的轉(zhuǎn)錄物(如C3)。只有更多的與脂質(zhì)代謝和芳香族氨基酸生物合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄物(后者與C3共享)，眾所周知，其代謝產(chǎn)物可刺激腸-腦通信。另一方面，C1聚類較好地涵蓋了所有核心代謝活動和管家功能(即碳水化合物、氨基酸、脂質(zhì)和外源代謝)，與NW女性的關(guān)聯(lián)一致。C2聚類也是如此，主要表現(xiàn)在O_DHA女性中，盡管丙酸代謝的轉(zhuǎn)錄物特別豐富，研究顯示SCFA可以減少對高熱量食物的預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)反應(yīng)。當(dāng)關(guān)注與食物攝入和能量消耗以及神經(jīng)內(nèi)分泌信號相關(guān)的特定微生物基因時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些特殊的特征，這些特征能夠區(qū)分包含OB女性的聚類。參與次級膽汁酸生物合成的基因在C2-C4聚類中很少或沒有轉(zhuǎn)錄，脂質(zhì)代謝譜也證明了這一點(diǎn)，C2中初級膽汁酸富集，在肥胖和代謝紊亂中初級膽汁酸水平普遍升高，除與代謝表型密切相關(guān)外，還可能導(dǎo)致屏障功能喪失和炎癥。另一個(gè)值得注意的發(fā)現(xiàn)是，C2聚類中有許多低膽固醇和非膽固醇轉(zhuǎn)化物，其中缺乏與膽固醇轉(zhuǎn)化相關(guān)的細(xì)菌(如Ruminococcus、Coprococcus和Subdoligranulum)。與此一致的是，C3聚類的糞甾烷醇濃度最高。然而，GM的糞甾烷醇生成活性仍需要驗(yàn)證，據(jù)我們所知，目前還沒有關(guān)于膽汁酸代謝和膽固醇轉(zhuǎn)化與不受控制飲食行為之間可能存在關(guān)系的證據(jù)。在主要包括OB女性的聚類(尤其是C3)中存在一些與產(chǎn)生Trp衍生吲哚相關(guān)的高轉(zhuǎn)錄活性微生物基因。在OB受試者中，吲哚通常會減少，但值得一提的是，它們的過度生產(chǎn)最近被證明會導(dǎo)致動物模型中焦慮和抑郁樣行為明顯改變，這部分支持了我們的研究結(jié)果。另一方面，C2-C4聚類存在低mRNA水平的β-葡萄糖醛酸酶。這可能與飲食失調(diào)有關(guān)，最近的研究表明，β-葡萄糖醛酸酶活性降低與阿片類藥物耐受性之間存在聯(lián)系，阿片類藥物與OB相關(guān)行為(如享樂體驗(yàn)和暴食)有關(guān)。最后，C4聚類顯示出兩個(gè)低至零轉(zhuǎn)錄活性的基因，一個(gè)參與甘油二酯的生物合成，另一個(gè)參與GABA的產(chǎn)生，GABA是哺乳動物大腦中的主要抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。最后一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有文獻(xiàn)完全一致，該文獻(xiàn)報(bào)道了肥胖和行為改變(如焦慮和抑郁)中GABA水平的降低，并將其與動物模型中食物攝入的降低聯(lián)系起來。然而，迄今為止已經(jīng)在大量所謂的精神益生菌中觀察到谷氨酸脫羧產(chǎn)生GABA，包括Bifidobacterium spp.，在C4聚類中高度轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。這可能表明，并非所有雙歧桿菌物種/菌株都具有這種活性，或者在某些微生物組合和宿主病理生理因素的背景下，這種活性被抑制。至于可能與大麻素系統(tǒng)相關(guān)的基因，值得注意的是，臨床試驗(yàn)表明，補(bǔ)充富含甘油二酯的油可以增加脂肪氧化，通過減少饑餓感、食欲和進(jìn)食欲望來更好地控制食物攝入量。因此，我們推測C4聚類(主要表現(xiàn)在O_HA女性中)可能導(dǎo)致飽腹感/饑餓調(diào)節(jié)系統(tǒng)受損，因?yàn)樗诳刂剖澄飻z入的功能方面特別差。

總之，通過探索性的多組學(xué)方法，將有關(guān)GM結(jié)構(gòu)、生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)錄活性和脂質(zhì)代謝的數(shù)據(jù)與飲食攝入信息以及臨床和心理測試結(jié)果相結(jié)合，我們發(fā)現(xiàn)GM可以呈現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)，其特征在于不同的微生物多樣性和功能，它們可能反映宿主生理的許多方面，與宿主因素(包括飲食習(xí)慣和行為)有不同的相關(guān)性。特別是，行為高度失控的OB女性總體上GM多樣性較低(C2和C4)，主要由少數(shù)物種(R. torques和Bifidobacterium spp.)控制，且轉(zhuǎn)錄活性有限，特別是與已知在健康的腸-腦軸中起關(guān)鍵作用的代謝產(chǎn)物(如次級膽汁酸和GABA)相關(guān)。與此一致的是，他們的糞便中存在大量的初級膽汁酸和固醇，包括膽固醇。GM也與能量攝入增加有關(guān)。C2中的尿酸、膽固醇和SCFA水平較高，C4中纖維和碳水化合物攝入量較高，這對人類健康的潛在差異影響值得進(jìn)一步關(guān)注。相比之下，NM女性的特征是GM有較高多樣性(C1聚類)，富含與健康相關(guān)的菌群，如R. bromii和F. prausnitzii，總體上相互連接較為緊密，具有轉(zhuǎn)錄活性，涵蓋了主要的細(xì)菌代謝途徑。C1聚類還以高纖維消耗和高SCFA水平為特征。必須指出的是，雖然C3聚類主要包括OB女性并且與SCFAs水平降低和固醇轉(zhuǎn)化率較高相關(guān)，但它與C1聚類有許多共同特征，這表明C3聚類結(jié)構(gòu)可能更容易重新定向。盡管收集了大量信息，但仍存在一些局限性：參與者根據(jù)MINI訪談進(jìn)行了精神障礙篩查訪問，并完成了一系列心理測試問卷，但可以完全排除心理困擾癥狀的存在；樣本量小(尤其是O-HA組的OB女性)；與自我報(bào)告的FFQ相關(guān)的潛在誤差；NW/OB女性在GM聚類中的分布缺乏顯著性；缺乏所有入選女性的臨床數(shù)據(jù)，這可能導(dǎo)致未能確定聚類特異性臨床特征；探索性關(guān)聯(lián)分析方法和多重推理試驗(yàn)的高誤報(bào)概率；缺乏使用更詳盡的代謝組學(xué)方法來評估多個(gè)生物樣本中可能由GM引起的其他分子；以及缺乏機(jī)制驗(yàn)證。

結(jié)論

該探索性研究表明，GM的獨(dú)特組成和功能結(jié)構(gòu)與飲食習(xí)慣和行為密切相關(guān)，從而使我們對與OB和不受控制的飲食行為相關(guān)的系統(tǒng)生物學(xué)產(chǎn)生了令人信服的假設(shè)。特別是在行為高度不受控制的OB女性中發(fā)現(xiàn)GM以低多樣性，少數(shù)微生物為主，轉(zhuǎn)錄和脂質(zhì)代謝較差為特征，這可能會對腸-腦通信產(chǎn)生負(fù)面影響。我們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該在更大的患者隊(duì)列中得到驗(yàn)證，并與動物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以闡明潛在的機(jī)制。一旦得到證實(shí)，這些發(fā)現(xiàn)將為實(shí)施精準(zhǔn)的微生物導(dǎo)向干預(yù)策略鋪平道路，主要目的是恢復(fù)多樣性，即微生物組成、生態(tài)相互作用和功能，從而形成一種飲食-GM-腸道-大腦軸，促進(jìn)健康行為并預(yù)防OB相關(guān)并發(fā)癥。

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網(wǎng)址: 科研丨BMC Medicine(IF:11.15): 肥胖女性的多組學(xué)腸道微生物組特征 http://m.u1s5d6.cn/newsview36540.html