Science高脂饮食影响肠道菌群产有害代谢物氧化三甲胺的新机制

　　西方饮食模式具有高脂的特点。此前的研究已经表明，该饮食模式会促进胆碱的生成，而胆碱会进一步被肠道菌群代谢成 三甲胺 （trimethylamine,  TMA ） ，再在肝脏中转化成氧化三甲胺（trimethylamine N-oxide,  TMAO ） ，从而增加心血管疾病的患病风险。
　　此外，西方饮食模式中富含的饱和脂肪酸，会通过诱导线粒体产生过氧化氢，影响线粒体的生物能学 （bioenergetics） ，并进一步对肠道的生理状况产生负面影响。而在结肠中，线粒体对氧气的高消耗对维持上皮细胞缺氧状态至关重要。维持缺氧状态可以促进肠道中专性厌氧菌的生长，并抑制兼性厌氧菌（如肠杆菌科） 的过度生长。但是，当前尚不清楚由高脂饮食造成的这种生理变化是否会对肠道微生物的代谢产生影响。
　　近日，范德堡医学大学中心 Mariana X. Byndloss 教授的团队和加利福尼亚大学戴维斯分校 Andreas J. Bäumler 教授的团队共同在  Science  杂志上发表了题为   High-fat diet–induced colonocyte dysfunction escalates microbiota-derived trimethylamine N-oxide   的文章。该文章基于高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型，发现长期采用高脂饮食会破坏结肠上皮细胞线粒体的生物能学，并促进大肠杆菌对胆碱的分解代谢，进而增加循环中有害代谢产物——TMAO的水平。
　　首先，作者选用了不具有内源性肠杆菌科微生物的C57BL/6J小鼠作为其动物模型，并将小鼠随机分成2组，分别采用低脂肪 （10%脂肪含量） 和高脂肪（60%脂肪含量） 饮食进行喂养。同时，给两组小鼠接种相同剂量的大肠杆菌Nissle 1917（属于肠杆菌科） 。结果显示，高脂肪饮食组的小鼠粪便中具有更高水平的大肠杆菌。
　　由于有研究表明肠杆菌科丰度的提高与粘膜炎症和上皮细胞代谢变化有关，因此，作者进一步探究了饮食对小鼠肠道粘膜的影响是否与肠道菌群有关。作者发现无论是在正常小鼠还是无菌小鼠中，由高脂饮食造成的肥胖都会引起粘膜炎症，并导致上皮细胞的线粒体活性下降。具体地，高脂饮食小鼠结肠上皮细胞中线粒体标志物对应的mRNA、ATP以及丙酮酸脱氢酶水平均较低。
　　为了进一步探究线粒体活性的变化是否会改变结肠上皮的氧气情况，作者使用缺氧标记物哌莫硝唑 （Pimonidazole） 进行了染色标记，结果表明在正常小鼠和无菌小鼠中，高脂饮食小鼠组的缺氧状态均受到破坏。而氧气的增加为可进行有氧呼吸的Nissle 1917提供了一定的生存优势。
　　此外，作者还发现，在正常小鼠和无菌小鼠中，高脂饮食都会导致基因Nos2表达量升高，从而增加结肠黏液层硝酸盐的浓度。而硝酸盐浓度的增加也为可以进行硝酸盐呼吸的Nissle 1917提供了生存优势。
　　接下来，为了探究高脂饮食介导的宿主呼吸链电子受体 （氧气和硝酸盐） 的增加是否会促进大肠杆菌生成TMA这一问题，作者使用了大肠杆菌MS 200-1菌株进行研究。MS 200-1带有cutC基因，该基因参与胆碱转化为TMA的过程。体外培养结果表明，硝酸盐和低氧环境均可以增强cutC的表达，帮助MS 200-1利用胆碱作为碳源进行生长。
　　接着，作者进行了体内试验，给C57BL/6J小鼠接种了该菌株，并在饮食中添加了胆碱。通过比较AG处理 （二胺氧化酶和一氧化氮合酶抑制剂） 小组和无处理小组，作者发现，AG处理小组的大肠杆菌丰度在高脂和低脂饮食条件下无显著差异，而在无处理小组中，高脂饮食条件下小鼠的大肠杆菌丰度更高，上述结果表明高脂饮食介导的宿主来源的硝酸盐的增加，会促进大肠杆菌分解代谢胆碱。而且当MS 200-1菌株被敲除了与有氧呼吸和硝酸盐呼吸相关的基因时，在高脂饮食条件下，大肠杆菌的丰度也并无明显变化。
　　进一步，作者探究了大肠杆菌对胆碱代谢水平的变化与循环TMAO水平间的关系。通过给无菌小鼠接种MS200-1野生型、缺少cutC基因的MS200-1突变型和其他缺少cutC基因的细菌，作者发现，MS200-1野生型小组血液中TMAO水平显著高于其他组，说明大肠杆菌对胆碱代谢水平的变化会影响宿主循环TMAO水平。
　　最后，作者研究了针对呼吸链电子受体的药物是否可以改变循环TMAO的水平。作者对高脂饮食小鼠进行了5-氨基水杨酸 （一种PPAR- γ激动剂，可促进线粒体活性） 处理，发现该药物可以降低循环TMAO水平。
　　综上， 该研究发现饮食介导的肠道生理变化——呼吸链电子受体 （如氧气和硝酸盐） 的增加，会促进大肠杆菌对胆碱的利用，进而导致血液中氧化三甲胺水平的增加，对宿主产生危害。
　　原文链接：
　　http://doi.org/10.1126/science.aba3683