胆汁酸靶向代谢组学应用

胆汁作为一种储存胆汁酸（BAs）的液体，已经被发现是调控健康和疾病的生化和分子基础。胆汁酸作为胆汁的主要成分（约占胆汁有机成分的50%），能通过肠道吸收，到达身体几乎所有器官来调控机体代谢功能（如图1）。

图1.BAs的靶组织和生物活性¹

初级胆汁酸最初由肝细胞中的胆固醇通过经典途径和替补途径在肝脏中酶的作用下合成，其中胆酸CA和鹅脱氧胆酸CDCA可达总胆汁酸的90%；初级胆汁酸进入肠黏膜后，在肠道细菌（如拟杆菌、梭状芽孢杆菌、乳酸菌和梭杆菌等）的作用下发生去结合、去羟基和氧化还原等反应，产生不同的次级胆汁酸（如脱氧胆酸DCA，石胆酸LCA和熊去氧胆酸UDCA等）；在回肠末端，95%的次级胆汁酸被重吸收进入肠细胞并通过基底外侧BA转运蛋白进入门脉循环，然后被吸收到肝细胞中重新形成初级胆汁酸并分泌入胆汁，从而完成一次“肝肠循环”（enterohepatic circulation）（如图2），人体胆汁酸每天循环6~10次，从而保证机体的正常运行。

图2.胆汁酸的合成、运输和代谢¹

胆汁酸的在人体内不同部位含量不同（如图3）。随着各种代谢组学技术的发展以及“肠道微生物-胆汁酸-疾病轴”的研究不断被挖掘，胆汁酸被发现与肝脏相关疾病、肠道相关疾病、糖尿病、机体炎症、阿尔兹海默症、新生儿发育等的发生发展密切相关。

图3.人体内不同器官胆汁酸组成 (PL:血浆, PV:门静脉, LIV:肝脏, GB:胆囊, DJ: 十二指肠和空肠, IL: 回肠, FEC: 粪便)¹

近日，发表在Nature communications的一篇文章“Gut microbiota-bile acid crosstalk contributes to the rebound weight gain after calorie restriction in mice” ，阐述了胆汁酸对小鼠禁食恢复后体重反弹的影响²。

肥胖是一种大流行的慢性疾病，可导致许多代谢性疾病，如2型糖尿病、心血管疾病和癌症。热量限制、有氧运动、药物治疗或减肥手术等减肥手段可使肥胖症患者的体重减轻并减少疾病风险。其中卡路里限制（CR）和禁食是减轻体重的常用方法，然而肥胖症患者在恢复饮食后减轻的体重通常很难维持，部分患者的体重会逐渐或迅速恢复。

本工作以“肠道微生物-胆汁酸”信号轴为切入点研究了上述现象的发生机制。

首先，为了确定从禁食或热量限制中恢复饮食是否会导致体重快速增加，研究者将老鼠分为正常饮食组（CD），高脂饮食组（HF）和卡路里限制组（CR）（如图4）,研究显CR组禁食恢复后，体重反弹明显（如图5），糖耐量受损（如图6）。研究者进一步分析发现CR组夜间能量消耗明显降低（如图7），该结果支持了体重恢复与能量消耗减少有关的假说。

图4.禁食实验的实验流程。（星号表示样品收集的时间）²

图5.禁食实验中的体重变化 ²

图6.葡萄糖耐量试验（OGTT）的曲线下面积（AUC） ²

图7.昼夜平均能量消耗 ²

CR或HFD是否对肠道菌群有重塑作用？研究者怀疑CR促进了具有更高能量收集能力的肠道微生物的自然选择，同时降低了效率较低的微生物的数量，从而导致禁食后体重的恢复。通过对HF、CD和CR组的盲肠内容物的宏基因组测序，研究者发现三组之间的微生物群组成存在显著差异，并且 HF 和 CR 组在微生物组成上更加接近，二者与CD组具有较明显的差异（如图8）。

图8. a.基于三组中盲肠微生物的PCoA图 b.层次类聚

研究者进一步发现HF组和CR组中拟杆菌属中的常见菌种明显减少（如图9），然后对宏基因组数据进行了富集分析，发现“代谢”途径被富集的程度最高（如图10），进一步分析发现次级胆汁酸代谢途径与实验组的表型具有最强的相关性（如图11）。

图9.富集在 CD 组中的菌属的倍数变化 ²

图10.每个样品中KEGG L1通路的相对比例 ²

图11.KEGGL3通路与表型之间的相互关联的热图分析 ²

研究者随后使用超高效液相色谱-质谱仪，研究了三组小鼠中不同的胆汁酸谱，总胆汁酸的浓度波动明显（如图12a），发现CR和HF组小鼠的12OH BAs水平显著升高，而非12OH BAs比例降低（如图12b）；血清中CR组和HF组未结合的非12OH BAs,LCA与UDCA明显减少（如图12c, d），盲肠中，CR组和HF组UDCA明显减少（如图12e）。通过代谢组与微生物组的关联分析发现Parabacteroides distasonis（PD，狄氏副拟杆菌）与大多数未结合的非12OH BAs 具有很强的相关性（如图13）。

图12. a.三组中部盲肠、肝脏和血清中总BAS含量  b.三组盲肠、肝脏和血清各BAs的比例。c.三组血清中BAS浓度百分比 d.三组血清中LCA和UDCA的占比 e.盲肠内容物中LCA和UDCA的占比²

图13.CD组中显著富集的菌属和BAs关系的热图 ²

为了探讨PD 的作用 ，将小鼠分为CR+HF+PD组（胃灌注PD），CR+HF+ Vehicle（对照组），CR+HF+HKPD组（高温杀死PD）三组。高脂喂养四周后， CR+HF+PD组的体重增加与对照组相比明显减少（如图14a），而三组进食量没有显著差别（如图14b），PD处理增加了夜间能量消耗（如图14c)。

图14. a.体重和四周高脂饮食后的增重b.转变为高脂饮食的第一周平均能量摄入量 c.昼夜小鼠平均能量消耗 ²

随后，研究者对“非12OH BA”是否具有体重调控作用进行了探究。研究者在高脂喂养的小鼠禁食后给予UDCA干预，发现UDCA干预组的体重增加相对较少（如图15a），而进食量没有显著变化（图15b）。进一步研究发现“非12OH BA”增加了小鼠的能量消耗，使空腹血糖显著降低（如图15c)。在分子水平上，UDCA干预组白色脂肪组织中的UCP1和PGC1alpha的转录水平均显著升高（如图16）。后续研究提示该现象可能是“非12OH BA”发挥作用的分子机制。

图15. a.体重和4周高脂饮食后时的增重 b.高脂饮食第一周的平均能量摄入量 c.实验结束后的空腹血糖水平²

图16.棕色脂肪组织中Ucp1和Pgc1α的mRNA表达 ²

总体而言，该工作主要研究了 CR 后体重反弹的原因。通过微生物组学与代谢组学技术的联用阐述了肠道益生菌-“非12OH BA”降低体重的作用与调控机制。基于液质连用的BA靶向代谢组学方法在其中发挥了关键作用。

参考文献

1. Jia W, Xie G and Jia W. Bile acid-microbiota crosstalk in gastrointestinal inflammation and carcinogenesis. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2018;15:111-128.

2. Li M, Wang S, Li Y, Zhao M, Kuang J, Liang D, Wang J, Wei M, Rajani C, Ma X, Tang Y, Ren Z, Chen T, Zhao A, Hu C, Shen C, Jia W, Liu P, Zheng X and Jia W. Gut microbiota-bile acid crosstalk contributes to the rebound weight gain after calorie restriction in mice. Nature communications. 2022;13:2060.

不想错过“科享家”的推送？

关注并将我们星标吧！

方法如下☟

点亮+，告诉大家你也在看