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全球性流行的肥胖症呈现出紧迫的公共卫生危机。全世界超过21亿人超重或肥胖，每年约有340万人死于肥胖相关疾病。肠道微生物群是显着影响哺乳动物机体组成的环境因素。微生物群可促进脂肪组织中的能量储存。但是，微生物如何调控宿主代谢途径，如何影响能量储存和身体组成，知之甚少。 许多宿主代谢途径通过生物钟与昼夜光周期保持同步。哺乳动物的昼夜节律是机体所有细胞中的转录因子网络，其驱动基因的节律性表达（~24小时波动）。研究表明，微生物群以多种方式与生物钟相互作用，对宿主代谢产生深远影响，破坏二者间的相互作用可能导致肥胖和其他代谢疾病。然而，微生物与生物钟相互作用的机制以及这些相互作用如何改变宿主的新陈代谢，知之甚少。  原名：The intestinal microbiota regulates body composition through NFIL3 and the circadian clock 译名：肠道微生物群通过NFIL3和生物钟调节机体组成 期刊：Science IF：37.205 发表时间：2017年 通信作者：Lora V. Hooper 通信作者单位：The University of Texas Southwestern Medical Center 1. NFIL3在肠上皮细胞中的生理功能 NFIL3是一种转录因子，可在多种免疫细胞中表达，并可根据细胞类型调控免疫功能。研究发现小肠上皮细胞也表达NFIL3，并且无菌小鼠中NFIL3表达显着降低（图1A），提示上皮NFIL3可能调节响应于肠道微生物群的生理活性。正常膳食饲养的Nfil3△IEC小鼠体重比Nfil3fl/fl同窝小鼠轻（图1B），高脂膳食（HFD）饲喂10周时，Nfil3fl/fl和Nfil3△IEC小鼠的体重均增加（图1B），然而Nfil3△IEC小鼠体重较低（图1B），体脂百分比较低（图1C）。Nfil3△IEC小鼠的附睾脂肪垫重量较低（图1D），并且免受血液甘油三酯升高（图1E），肝脏脂肪堆积（图1F），葡萄糖耐量降低（图1D）和胰岛素抵抗增加（图1G）等现象。 结论：上皮细胞表达的NFIL3调节小鼠的脂质储存和机体组成。同时，抗生素处理的Nfil3fl/fl小鼠的脂肪减少和瘦体重增加，且与Nfil3△IEC小鼠的机体组成没有显着差异（图1H）。因此，HFD诱导的体脂累积同时需要NFIL3和微生物群。
图 1 Nfil3△IEC小鼠抵抗高脂诱导的肥胖 2．微生物群调控NFIL3表达的机制 Nfil3转录由生物钟控制。研究发现在小肠上皮细胞群中，Nfil3转录丰度随昼夜波动（图2A）。野生型无菌小鼠和常规小鼠的对比研究发现，微生物群介导Nfil3的最大程度的表达，并且调节Nfil3转录节律性的幅度（图2A）。Nfil3的蛋白质表达水平与转录水平趋势一致（图2B）。 昼夜节律转录阻遏物REV-ERBα直接调节Nfil3的表达。在肠上皮细胞中，Rev-erbα转录和蛋白质丰度也随昼夜波动，且在无菌小鼠的转录和翻译水平比常规小鼠的高（图2C和D）。提示REV-ERBa调控Nfil3的昼夜表达，并且微生物群通过抑制Rev-erbα表达来诱导Nfil3表达。通过染色质免疫共沉淀（ChIP）发现，REV-ERBα直接结合于肠上皮细胞中的Nfil3启动子（图2E）。此外，抗生素处理的Rev-erbα−/−小鼠与常规野生型小鼠的Nfil3表达水平相似（图2F）。 结论：微生物调节Nfil3表达依赖于REV-ERBα，微生物群通过抑制Rev-erbα表达提高Nfil3表达。
图 2 3. DC-ILC3通路将微生物群信号传递至上皮细胞以调节Nfil3表达 肠上皮细胞通过Toll样受体（TLRs）及MyD88来识别微生物群，调控关键基因的表达。研究发现，在Myd88−/−小鼠中，上皮细胞Rev-erbα表达增加，Nfil3表达降低至无菌小鼠的表达水平（图2G），表明微生物调节Rev-erbα-Nfil3 级联信号需要MyD88。然而，CD11c+细胞群体（包括部分树突状细胞），而不是上皮细胞的Myd88显著抑制Rev-erba表达和诱导Nfil3表达（图2G）。并且用白喉毒素处理，选择性消除CD11c+细胞导致Rev-erba表达增加，并且Nfil3表达减少（图2H），表明微生物群诱导Nfil3表达需要DCs。 细菌激活DCs中的TLR-MyD88信号，并通过IL-23从DC传递到3型先天淋巴细胞（ILC3）。然后，ILC3通过IL-22向上皮细胞传递信号。研究表明，在缺乏所有已知的ILC亚型的ID2缺陷型小鼠（Id2gfp/gfp）中，小肠上皮细胞Rev-erbα表达增加，Nfil3表达随之降低（图2H）。此外，缺乏Th17和ILC3的RORδγ缺陷小鼠（Rorcgfp/gfp）的Rev-erbα和Nfil3的昼夜表达模式（图2I和J）与无菌小鼠类似（图2A和B）。用重组IL-23或IL-22处理Myd88−/−小鼠可使上皮Rev-erbα和Nfil3表达恢复至野生型常规小鼠的水平（图2K）。 结论：上皮下的DC-ILC3通路将微生物群信号传递至上皮细胞以调节Nfil3表达。
图 2 4. 鉴定调节Rev-erbα和Nfil3表达的上皮细胞固有信号途径 最近，研究表明，中枢神经系统（CNS）可以调节啮齿动物的肝脏和肠道脂质和脂蛋白分泌。 转录因子STAT3是IL-22受体（IL-22R）下游的关键反应元件。肠上皮细胞的ChIP分析显示，STAT3与Rev-erbα启动子结合（图3A和B）。无菌小鼠的上皮细胞中STAT3结合显着降低（图3A和B）。共转染编码STAT3的载体，其荧光素酶报告基因与Rev-erba启动子融合，导致HEK-293T细胞中的荧光素酶活性降低（图3C），并且STAT3主要活性成分的表达进一步抑制萤光素酶活性（图3C）。因此，STAT3与Rev-erba启动子结合并抑制其转录。 向肠道类器官培养模型中添加重组IL-22导致STAT3磷酸化（图3D）。同时IL-22处理降低了Rev-erba的表达并且增加了Nfil3的表达（图3E和F）。相反地，向类器官培养物中添加STAT3磷酸化抑制剂（Stattic）（22）时，重组IL-22不能使STAT3磷酸化（图3D），并且Rev-erbα和Nfil3的表达水平与对照组相似（图3E和F）。研究证明STAT3是Rev-erbα的转录抑制子。相比于Stat3fl/fl同窝小鼠，上皮细胞特异性Stat3缺失小鼠（Stat3△IEC）的肠上皮细胞Rev-erbα表达增加，Nfil3表达降低（图3G和H）。 结论：NFIL3表达的昼夜节律是由生物钟通过REV-ERBα产生的，而节律的振幅由微生物群通过STAT3微调。
图 3 STAT3与Rev-erbα启动子结合抑制其转录 5. 上皮细胞NFIL3调节脂肪储存和机体组成的机制 小肠具有长时间储存膳食脂质的能力。餐后，脂质作为细胞内CLDs和可能作为预先形成的脂蛋白颗粒，在肠道中停留。 Nfil3fl/fl和Nfil3△IEC小鼠上皮细胞的转录组鉴定了33个差异表达的转录本，并发现部分基因在Nfil3fl/fl小鼠中的表达具有昼夜节律性（图4A）。在Nfil3△IEC小鼠中，生物钟基因Bmal1（Arnt1），Per2和Nr1d1（Rev-erbα）依然保持节律表达（图4A），表明其核心生物钟机制保持完整。有17个转录本编码在脂质摄取和代谢中起作用的蛋白质（图4A），包括Cd36、Scd1、Cyp2e1和Fabp4。 通过qRT-PCR分析发现，Cd36和Scd1的表达依赖于上皮细胞NFIL3和微生物群（图4B）。Western blot分析显示，在无菌小鼠和Nfil3△IEC小鼠中CD36蛋白水平降低（图4C）。此外，在Id2gfp/gfp和Stat3△IEC小鼠中，Cd36和Scd1的表达降低（图4D和E）。同时，研究发现：Nfil3fl/fl小鼠的肠上皮细胞含有丰富的脂质（图4F）。相比之下，Nfil3△IEC小鼠上皮细胞中脂质较少（图4F）。此外，与Nfil3fl/fl小鼠相比，Nfil3△IEC小鼠的肠上皮细胞的脂质浓度也较低（图4G），但粪便中的脂质浓度较高（图4H）。 结论：微生物群调节NFIL3依赖性的脂质代谢程序是肠道上皮细胞固有途径，且上皮细胞NFIL3调节上皮细胞的脂质吸收和输出。
图 4 上皮细胞NFIL3调节脂肪储存和机体组成
 本研究发现，NFIL3是微生物群，昼夜节律和宿主新陈代谢之间的重要分子链接。研究结果表明，微生物群通过NFIL3调节脂质摄取和储存，从而阐明了肠道微生物群调节宿主代谢和机体组成的机制。此外，研究表明，ILC3-STAT3信号传递衔接了微生物群与上皮生物钟，因此确定了微生物群与生物钟相互作用的关键分子通路。这些结果可能为微生物与生物钟相互作用的紊乱导致代谢疾病的机制提供更深入的了解。本研究阐明了昼夜节律紊乱（由于轮班工作或国际旅行引）与代谢疾病（包括肥胖，糖尿病和心血管疾病）增加的相关性。 本研究的发现可能为治疗代谢性疾病提供了新策略，例如靶向NFIL3，STAT3，微生物群或生物钟。 本文由莫孞编译，莫秋芬、江舜尧编辑。 |
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