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科研动态

Cell Reports:遗传因素VS肠道菌群,究竟谁在主导糖尿病?
发布时间:2017-08-18 16:57   点击率:
 导读
肠道菌群在生物体发育、生理机能以及健康等方面表现出广泛的影响。遗传变异驱动表型多样性并影响代谢疾病的倾向。在本研究中,作者以拥有不同基因型的小鼠为模型,探究其在不同饮食诱导下肠道菌群的反应机制。

文献ID
题目:Host Genotype and Gut Microbiome Modulate Insulin Secretion and Diet-Induced Metabolic Phenotypes
译名:宿主基因型和肠道菌群调控胰岛素分泌以及饮食诱导的代谢类疾病
期刊:Cell Reports      IF: 8.282
发表时间:2017年
通讯作者:Alan D.Attie    Federico E.Rey
单位:美国威斯康星大学

材料与方法
研究对象
选用8种基因型的CC founder strains小鼠作为研究对象:A/J、C57BL/6J (B6)、129S1/Svlmj (129)、NOD/ShiLtJ (NOD)、NZO/HILtJ (NZO)、CAST/EiJ (CAST)、PWK/PhJ (PWK)、WSB/EiJ (WSB)。

实验1. 给予不同饮食
所有CC founder strains小鼠被连续喂养至四周大,然后挑选出其中的雄性小鼠,将其分为2组:实验组配以高脂、高蔗糖(HF/HS)饮食,对照组配以标准饮食。连续喂养至22周,收集血液和粪便,进行理化指标检测和16S高通量测序。

实验2. 粪菌移植
收集第15周时实验组B6和CAST品系小鼠的盲肠内容物,作为供体,转移到9周大的无菌C57BL/6J小鼠体内。受体小鼠在实验期间仍保持HF/HS饮食,直至16周。收集受体小鼠粪便,进行16S测序。同时收集血液,检测生理生化指标。此外,对FXR基因进行定量检测。


▲实验设计图

 
研究成果
1. 宿主对不同饮食的代谢反应受自身基因型的影响
研究发现,CC founder strains小鼠对不同饮食表现出广泛的体重和代谢反应(包括血糖、血浆胰岛素、肝脏甘油三酯、AUC葡萄糖及AUC胰岛素含量)。NZO品系小鼠是唯一一种接受高脂饮食处理后出现明显糖尿病症状的种类。除此之外,B6品系小鼠对饮食的反应最强烈。


图1. CC founder品系小鼠的代谢综合征

2. 饮食和宿主基因型影响肠道菌群组成
通过对8种CC founder品系小鼠的盲肠内容物进行16S高通量测序,发现饮食对不同品系小鼠的肠道菌群组成均有影响,其中B6、CAST和NOD三个品系的肠道菌群变化最显著。在所有品系小鼠肠道菌群中,拟杆菌门和厚壁菌门均占据主导地位;与对照组相比,实验组小鼠拟杆菌门与厚壁菌门比例降低,变形菌门数量增加。

3. 微生物类群与代谢型相关
皮尔森相关系数分析表明小鼠肠道菌群组成与糖尿病相关的临床指标有关。如拟杆菌门数量与小鼠体重、空腹血浆胰岛素水平等成负相关关系,而梭菌科和理研菌科数量与小鼠血浆胰岛素水平呈显著正相关关系。

 

图2. 肠道菌群构成与代谢型相关

4. 饮食通过肠道菌群实现对宿主生理代谢的调控
文中将B6和CAST两种品系小鼠的盲肠菌群转移至9周大的无菌B6品系小鼠体内,受体小鼠在实验期间仍保持HF/HS饮食,直至16周。研究发现两种受体小鼠的一些生理生化指标出现变化,
B6B6小鼠体重增加了25%,比B6CAST小鼠积累了更多的甘油三酯。此外,两种受体小鼠葡萄糖和胰岛素水平随时间推移也出现不同变化。


图3. B6和CAST品系小鼠肠道菌群对饮食诱导的代谢型的辐散效应

5. B6B6小鼠和B6CAST小鼠肠道菌群不同
对两种受体小鼠的粪便样品进行16S测序,发现两者肠道菌群组成显著不同。LEfSe分析发现拟杆菌等8种微生物在
B6CAST小鼠体内显著富集,梭菌等12种微生物在B6B6小鼠体内显著富集。功能聚类将B6和CAST品系小鼠划分成2个不同类群,表明二者肠道菌群功能存在显著差异。膜转运、碳水化合物和脂代谢在B6B6小鼠中显著富集,维生素B生物合成、脂多糖生物合成等途径在B6CAST小鼠中显著富集。与B6CAST相比,B6B6小鼠体内发酵终产物(醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐)的浓度显著增加。


图4. 两种小鼠肠道菌群组成及代谢功能

6. B6和CAST品系小鼠产胆汁酸图谱不同
研究发现,
B6B6小鼠粪便中胆汁酸组成与B6供体小鼠很相似,而B6CAST小鼠粪便胆汁酸组成则介于B6和CAST供体小鼠之间,表明宿主基因型和肠道菌群可能共同调控胆汁酸分泌,而B6和CAST品系小鼠面对HF/HS饮食所产生的不同反应部分上可能也是由微生物胆汁酸代谢差异造成的。

 

图5. B6和CAST品系小鼠产生不同的胆汁酸图谱

7. 肠道菌群影响胰岛素分泌
研究人员发现,
B6B6小鼠和B6CAST小鼠体内胰岛素分泌也存在显著差异,后者胰岛素分泌能力减弱。此外,Fxr表达水平在B6B6小鼠中显著提高。


图6. CAST和B6品系小鼠对胰岛素分泌和Fxr表达的差异调控

研究结论
本研究证明宿主基因型能够调控机体代谢类疾病的发生发展并改变肠道菌群组成。肠道菌群影响着生物体对饮食诱导的代谢类疾病的菌株特异敏感性并能调控胰岛素分泌。

亮点
1. “高通量测序+粪菌移植+理化指标检测+基因定量”的完美实验设计。
2. 证明糖尿病的发生、发展是由宿主自身遗传特性和肠道菌群共同调控的,而菌群紊乱又与遗传调控有关。