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锐翌新文 | 揭示炎症因子IL-17、肥胖与肠道菌群的内在联系
发布时间:2017-08-25 17:39   点击率:
近日,锐翌基因军事医学科学院杨瑞馥老师在《Science Bulletin》上合作发表《IL-17A-dependent gut microbiota is essential for regulating diet-induced disorders in mice》的研究成果,探讨了细胞炎症因子IL-17A对于饮食诱导的小鼠肥胖和肠道菌群的关系。锐翌基因作为重要合作方,承担了宏基因组测序及生物信息分析工作,同时参与文章撰写工作。
 
研究背景
肥胖及其它代谢疾病,如2型糖尿病、心血管疾病和非酒精性脂肪肝,已成为世界范围内的毁灭性流行病。肥胖是能量摄入和能量消耗之间不平衡导致的。肠道微生物在肥胖和其他代谢病方面发挥重大作用。
 
饮食会影响肠道菌群的组成,此外,宿主遗传和免疫因子也在微生物群的建立过程中发挥关键作用,如白细胞介素22(IL-22)已被证明可减轻代谢紊乱并恢复小鼠的粘膜免疫,IL-22缺陷型小鼠的结肠微生物群与普通小鼠不同。
 
白细胞介素IL-17 是T 细胞诱导炎症反应的早期启动因子,可以通过促进释放前炎性细胞因子来放大炎症反应。IL-17 / Th17免疫应答在多发性炎症疾病中起核心作用,包括炎症性肠病(IBD)、肠纤维化和肠癌,其与肠道菌群显著相关。本研究关注白细胞介素IL-17A对于高脂肪饮食小鼠的影响,并且确定了对于调节肥胖至关重要的细菌及其功能。
 
材料与方法
DNA提取
QIAamp DNA Stool Mini Kit (Qiagen, Hilden, Germany)
 测序手段及平台
宏基因组测序,illumina Hiseq 2000 
分析
meta数据分析,数据质控、De novo组装、基因集构建,基因注释和功能分析
 
 
研究结果
1IL-17A显著影响HFD喂食后的小鼠的体重
同时喂食HFD,在14周和18周,WT型小鼠的体重高于Il-17a -/- 小鼠。在喂食HFD20周后,WT小鼠体重开始下降,第27周明显轻于第20周的小鼠重量,并出现掉毛和皮肤损伤;而Il-17a -/- 小鼠并未出现上述征状。

▲喂食HFD和NCD食物,不同时期对小鼠体重的影响
 
2IL-17A对小鼠生化指标的影响
在饮食干预的第27周检测血糖和病理指标,发现喂食HFD的小鼠血糖浓度高于喂食NCD的小鼠。同时喂食HFD,Il-17a -/-小鼠的血糖浓度、血浆胆固醇和甘油三酯水平低于野生型小鼠,暗示IL-17A敲除可以改善血糖平衡及代谢紊乱。
 
 
▲喂食27周后,血浆中血糖(a)、胆固醇(b)和甘油三酯(c)水平测定
 
小鼠肝脏伊红染色显示,IL-17A敲除后,肝脏内的脂肪空泡相较于野生型明显减少。Il-17a -/- 小鼠的脾脏的体积和重量也显著低于野生型小鼠。
 
 
▲喂食27周后,小鼠肝脏脂肪含量(d)和脾脏大小(e)测定
 
HFD也引起WT小鼠血液指标的变化,包括血红蛋白降低,血小板升高,白细胞升高。而对Il-17a -/-小鼠的影响很小,暗示IL-17相关的代谢通路对于调节代谢紊乱非常重要。

3HFD引起肠道微生物改变
PCoA分析显示,高脂饮食促进了肠道菌群的改变。肠道内容物的菌群组成和粪便样品27周的微生物组成相似。HFD的饮食干预影响了厚壁菌门/拟杆菌门的比例,以及门水平上的其他菌群的相对丰度。喂食HFD的Il-17a -/-小鼠,在喂食0-27周的过程中,拟杆菌门减少,厚壁菌门增加;喂食HFD的WT小鼠,疣微菌门、拟杆菌门和厚壁菌门在不同时期发生了变化。新的物种在不同时间点出现。
 

▲(a) 基于未加权UniFrac的 PCoA分析;(b) 粪便样品中物种组成展示
 
表1. 喂食培养的不同时间点,出现新的物种
 
随着饮食干预时间的延长,WT小鼠和Il-17a -/-小鼠共有的肠道菌群数量呈现先增后减的趋势。试验期间,WT小鼠和Il-17a -/-小鼠肠道菌群共享173个物种。去掉丰度低于0.1%的物种,鉴定出113个共享物种。根据Spearman相关系数>0.85,选择73个物种。去掉前后相对丰度改变低于3倍的,剩下71个物种,其中有14个物种呈现了4种不同的变化趋势:在Il-17a -/-小鼠中,相对丰度一直增加的;丰度一直减少的;相对丰度先降后增的;相对丰度先增后降的。在这14个物种当中,4种属于厚壁菌门,1种属于衣原体门,9种属于拟杆菌门。
 


▲(C)WT小鼠和KO(knockout即Il-17a-/-)小鼠喂食HFD三个不同时期的共享和特有的物种维恩图展示;(d)试验期间,WT小鼠和KO小鼠肠道共享物种变化趋势
 
4、将WT小鼠和Il-17a -/- 小鼠共培养后,缓解了HFD饮食导致的肥胖及其他代谢紊乱
 小鼠具有食粪性,将小鼠共同培养后可交换对方的肠道菌群。将WT和Il-17a -/-小鼠共同培养,喂食HFD,WT体重出现稳定的增长,并没有出现体重减轻、掉毛的现象,肝脏和脾脏指标也和Il-17a -/- 小鼠类似。共同培养27周后,WT小鼠的葡萄糖、胆固醇和甘油三酯浓度与Il-17a -/- 小鼠类似,血液指标也恢复到了正常水平。这些结果说明了肠道菌群的重要作用。
 
 
▲通过荧光标记大肠杆菌的方法验证小鼠的食粪性(a);WT和KO(即Il-17a -/- )小鼠共同培养后,体重(b-c),血糖(d),胆固醇(e),甘油三酯(f)以及血红蛋白(g)含量测定
 
PCoA分析显示,喂食前后,肠道菌群结构发生了明显的改变。喂食27周后, NCD-WT组、HFD-WT组和HFD-Il-17a -/-组的菌群结构存在显著差异。在属水平上,共同培养的WT小鼠的菌群多样性高于单独培养的小鼠。
 
 
▲(h)不同小鼠喂食0周,14周及27周后肠道微生物的PCoA分析;(i)单独培养和共培养小鼠的肠道菌群组成
 
5、肠道微生物中应答宿主遗传和饮食干预的关键物种
 通过宏基因组数据分析,发现高脂饮食诱导小鼠肥胖的过程中起有益作用(缓解肥胖和代谢紊乱)的9种菌株、发挥有害作用的2种菌株,绘制了六组样品丰度前30的物种关联网络图。
 
 
▲(a)六组样品,相对丰度前30的物种比较;(b)物种关联网络图
 
6、肠道菌群对于HFD引起代谢紊乱的功能调节
 基于KEGG代谢通路的差异KO分析显示,喂食0周、14周和27周的WT和Il-17a -/-小鼠KO丰度存在显著差异。进一步功能分析发现,相较于喂食前,在喂食HFD14周时,分别有89和81条代谢途径在WT和Il-17a -/-小鼠中明显上调,44和89条代谢途径分别下调。27周和14周相比,几乎一半途径在WT小鼠发生变化,而在Il-17a -/- 小鼠基本保持不变,这说明IL-17A敲除后,有利于维持肠道菌群及其代谢途径的稳态。
  
结论
细胞炎症因子IL-17A的缺失,会影响肠道菌群的组成和功能,从而使宿主抵抗高脂饮食引起的肥胖及代谢紊乱。
 
亮点
探讨了胞炎症因子IL-17A对于饮食诱导的小鼠肥胖和肠道菌群的关系,通过阻断IL-17A的方式来逆转疾病发展趋势,为人类代谢疾病的治疗提供新的思路。
 
文章信息
题目:IL-17A-dependent gut microbiota is essential for regulating diet-induced disorders in mice
期刊:Science Bulletin
发表时间:2017      IF4.0
通讯作者:
刘光伟  北京师范大学
张和平  内蒙古农业大学
秦  楠  浙江大学感染性疾病诊治协同创新中心
杨瑞馥  军事医学科学院