今天跟大家分享的是一篇来自法国巴斯德研究所教授同时兼任中国科学院上海巴斯德研究所研究院的PhilippeJ.Sansonetti的关于肠道菌群与脂代谢的文章。作者把大肠杆菌E.coli和副乳杆菌L.paracasei作为两种模式共生微生物，来评估小肠微生物群在调节上皮细胞的脂质吸收和代谢中的作用。使用一种包含细胞和小鼠模型的综合方法，并结合代谢参数测量、脂滴成像和基因表达分析，证明在稳态条件下，副乳杆菌会促进脂肪在肠细胞中的储存，而大肠杆菌增强脂质分解并降低乳糜微粒循环水平。Akt/哺乳动物靶向西罗莫司（mTOR）途径在体外被两种细菌物种所抑制，表明几种调节途径参与了与每种细菌物种有关的不同的细胞内脂质结果。此外，可溶性细菌因子部分地再现了用活的微生物观察到的效果。然而，在高脂饮食条件下，大肠杆菌定植的动物乳糜微粒循环水平的降低会消失，而伴随着对高胆固醇血症和超重的抵抗，副乳酸杆菌定植会使其作用增强。
首先，作者用了抗生素处理的小鼠灌胃了L.paracaseia和E.coli使其定植，并检测了其在粪便和肠道的定植效果（图1A和图1B）。
图1在正常饮食条件下，对照组、副酵母菌和大肠杆菌小鼠的体重曲线或1小时空腹循环胆固醇水平均无明显差异（数据未显示），但与对照组小鼠相比，大肠杆菌小鼠的循环甘油三酯（TG）水平减少20%（图1C）。饮食中的脂质被肠细胞顶端刷状缘膜吸收，并在细胞膜脂滴（LD）中储存或转移到载脂蛋白B-48（ApoB-48）中代谢成TG和酯化胆固醇（EC），后者产生乳糜微粒。乳糜微粒在到达血液循环之前被分泌到淋巴中，并运输大部分饮食中的FA和胆固醇。吸收后，载脂蛋白B-48作为乳糜微粒残余物的一部分返回肝脏，在那里被降解。因此，血清中的载脂蛋白B-48（已知是乳糜微粒分泌的独特标志）被测量，发现在大肠杆菌小鼠中明显减少（40%）（图1D），表明大肠杆菌有助于抑制肠细胞的脂质分泌和/或增加血液中的脂质清除。
为了验证大肠杆菌小鼠乳糜微粒生物合成水平下降的假设，使用中性脂质染色荧光探针（BODIPY/）比较了不同组小鼠的空肠LD和前乳糜微粒水平。虽然在副乳酸杆菌和对照组小鼠之间无法评估肠细胞LD计数的差异，但在大肠杆菌小鼠的小肠中观察到明显的缺陷（图1E和F）。在各组小鼠之间没有观察到食物摄入量的差异（3.2±0.3克，每天）；因此，大肠杆菌小鼠的脂肪摄入水平较低是不可能的，认为是抑制了脂质的吸收或增加了脂质的消耗，或两者都有，最终导致乳糜微粒生物合成的减少。相反，L.paracasei的定植伴随着LD大小分布的改变，有朝向更大的LD的趋势（图1G），表明细胞内脂质代谢的改变和脂质储存的增加。
为了探究大肠杆菌小鼠中乳糜微粒循环水平降低的原因，以及副干酪酸杆菌小鼠中LD分布改变的趋势背后的分子机制，作者分析了参与脂质代谢的关键基因的肠道表达。L.paracasei的定植与过氧化物酶体增殖剂激活受体（PPAR）α（Ppara）、参与FA吸收的PPAR靶点（Cd36、Fatp4）和Apob基因的转录水平相应减少约2倍（图2A）。在大肠杆菌小鼠中观察到Ppara和Apob表达的类似变化。
3种不同类型的PPAR，即PPARα、PPARβ/δ（Ppard）和PPARγ（Pparg），在被其配体（主要是多不饱和FA）激活后，对脂质代谢的调节起到关键作用。PPAR控制的基因在肠道的表达减少，表明在L.paracasei和大肠杆菌小鼠中，细胞内的游离FA（FFA）水平较低，这是由于吸收减少或在TG中的结合增加，或由于FA氧化增加或这些因素的组合。
图2除PPAR外，SREBP-1c（Srebf1）和ChREBP（Chrebp）代表了脂质代谢的其他关键调节因子。它们参与FA新生物合成的靶点（Fasn,Scd）在L.paracasei小鼠的小肠中被特异性地下调（图2B），与细胞内脂质含量增加相一致。因此，L.paracasei的定植似乎(i)抑制了饮食脂肪的吸收，正如FA转运器和胆固醇转运器Niemann-PickC1-L1（Npc1l1）的下调所表明的那样，以及(ii)增加了饮食脂肪的结合和储存在细胞质LD中，通过成像显示向较大的LD转移以及FA生物合成和Apob基因表达减少来评估。另一方面，尽管Srebf1和Chrebp的肠道表达减少，但它们的靶基因在大肠杆菌小鼠中都没有具体减少（图2B）。由SREBP-1c和CHREBP介导的调节主要是翻译后的，分别由胰岛素和细胞内葡萄糖水平驱动。因此，Srebf1和Chrebp及其目标的非协调表达是可能的。然而，在大肠杆菌小鼠中观察到的肠道基因表达的改变，即与Srebf1下调相关的PPAR靶点的下调，类似于禁食状态下遇到的哺乳动物西罗莫司（mTOR）抑制的后果。再加上LD成像显示肠道LD水平急剧下降，这些数据表明大肠杆菌小鼠的FAβ-氧化增加，最终导致乳糜微粒生物合成的减少。
尽管副乳酸菌定植和大肠杆菌定植既不与循环TG水平的主要改变相关，也不与肝脏重量和TG含量的改变相关（图2C和D），但这两种细菌的定植导致了肝脏基因表达的重要改变（图2E至G）。特别是，L.paracasei定植诱导了类似于mTORC1途径激活的特定修饰，包括Srebf1、Pparg（图2E）和PPAR下游目标（图2F）的明显过表达，表明肝脏对TG的吸收、脂质氧化和脂蛋白的分泌增加。它还诱导了Srebf2（与SREBP-1C相反，它只受细胞内胆固醇含量的调节）和SREBP-2靶点的过度表达（图2E和2G），支持肝脏胆固醇水平的降低和胆固醇生物合成和吸收的增强。相应地，与对照组和大肠杆菌小鼠相比，副乳酸菌小鼠的肝脏总胆固醇含量减少（图2H）。因此，尽管对循环脂质水平没有影响，但副乳酸菌的定植似乎对肠道和肝脏的基因表达进行了特异性重编程，强调了其在脂质代谢调节中的作用。另一方面，大肠杆菌定植的主要特点是ATP-柠檬酸裂解酶（Acly）的4倍过表达，该酶通过将柠檬酸转化为乙酰CoA来连接碳水化合物代谢和FA的生产，强调了碳水化合物代谢调节在大肠杆菌小鼠中的重要性。
为了证实我们在体内的观察，并更好地了解细菌对肠细胞脂质代谢的直接调控，我们使用了非癌变的永生化小鼠肠细胞系m-ICcl2，该细胞在转孔板上培养到完全分化和极性，以测量TG水平、基因表达水平，以及大肠杆菌共培养16小时后的LD生物生成。与未暴露的细胞（对照组）相比，混合培养没有引起明显的细胞毒性。副乳酸菌和大肠杆菌诱导细胞室的上腔（顶端吸收侧）和下腔（基底分泌侧）的TG水平明显下降（图3A）。然而，TG在细胞内的水平受到每种细菌的不同调节，即当细胞与L.paracasei培养时增加，而与大肠杆菌培养时减少，支持与L.paracasei培养的细胞增加脂质的吸收和储存，而在大肠杆菌存在时增强TG和FA消耗。
图3为了阐明每种细菌诱导的TG浓度变化背后的分子机制，我们分析了细胞-细菌共培养16小时后的细胞基因表达。与L.paracasei小鼠的肠道基因表达相反，在与L.paracasei共培养的肠细胞中，PPAR调节的基因表达没有被抑制，PPAR靶向脂肪酸结合蛋白2（Fabp2），阻止FA运输回腔，以及3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA（HMGC）合成酶2（Hmgcs2），参与生酮作用，显示了~8倍的过表达（图3B）。相反，参与FA从头生物合成的SREBP-1c目标下调了2倍（图3C），如在L.paracasei小鼠的小肠中，SREBP-1的非活性细胞质和活性核形式几乎都检测不到（图3D）。
与大肠杆菌小鼠的肠道基因表达一致，在大肠杆菌共培养的肠细胞中也观察到对SREBP-1C的抑制，但就SREBP-1蛋白水平的急剧下降而言，其目标Fasn的抑制并不明显（图3C和D）。同时，大肠杆菌共培养的肠细胞显示参与TG和脂蛋白生物合成的PPAR靶点水平适度增加2-4倍，Fabp2和Hmgcs2过表达约30倍（图2B）。综上所述，这些结果与副干酪乳杆菌和大肠杆菌诱导的FA摄取和FA氧化增加以及细胞外上层TG水平下降相一致。
接下来，作者证明了L.paracasei和大肠杆菌抑制了肠细胞中的Akt/mTORC1信号传导（图4）。副干酪乳杆菌和大肠杆菌分别通过增加储存和分解作用损害了培养的肠细胞的脂质分泌（图5）。且来自肠细胞-副干酪乳杆菌共培养的条件培养基和大肠杆菌可溶性因子部分再现了活菌介导的肠细胞脂质代谢的改变（图6）。
图4图5图6接下来作者使用高脂饮食评估两种菌对于肠道脂质代谢的差异。与维持在CD（普通饲料）上的小鼠组平行，将定植有L.paracasei或大肠杆菌的常规小鼠转为HFD，为期8周，以研究宿主反应将如何受到每种物种的影响。转为HFD后，肠道微生物群富集于肠杆菌科，副干酪乳杆菌和大肠杆菌的水平与CD观察到的相似。与对照组小鼠相反，尽管它们被维持在类似的饮食中（图7A），但L.paracasei小鼠抵制了过量的体重增加（图7B），而且瘦素的循环水平，通常在对高脂饮食的反应中增加，与对照组水平相比相应减少（图7C）。此外，3组小鼠的TG循环水平保持相似（数据未显示），但除了L.paracasei小鼠，所有组别的胆固醇循环水平几乎翻倍，肝脏TG含量增加了两倍（图7D和E）。与对照组和大肠杆菌小鼠相比，副干酪乳杆菌小鼠的载脂蛋白B-48的循环水平被发现减少了（图7F），反映了循环胆固醇水平。鉴于L.paracasei小鼠抵抗HFD诱导的体重增加，从血液中清除脂质的可能性非常小，这表明L.paracasei小鼠的载脂蛋白B-48循环水平降低是由于乳糜微粒分泌水平降低。
图7为了证实我们的假设，我们比较了不同组小鼠的肠道组织LD水平以及肠道和肝脏参与脂质代谢的基因表达（图7G至M）。在维持高脂饲料的条件下，大肠杆菌小鼠的肠道LD数量增加了%，而副干酪乳杆菌小鼠的数量保持不变，而且大肠杆菌小鼠的LD总数最终高于其他组的小鼠（图7H）。此外，对照组和大肠杆菌小鼠的大型（4.95m3）LD总数增加了，但副干酪乳杆菌小鼠没有，表明其大型LD数量比大肠杆菌小鼠少（图7I）。虽然HFD对所有组别小鼠的肝脏基因表达水平几乎没有影响（数据未显示），FasnmRNA水平仅下降了2倍，但它在对照组小鼠的肠道基因表达水平中诱发了预期的补偿性变化，包括Fasn下调，反映了FA从头生物合成的减少（表S5）和参与β-氧化的基因的过度表达（图7J）。然而，在L.paracasei小鼠中，与服用HFD的对照小鼠相比，参与β-氧化的PPAR靶点（Hmgcs2，Cpt1a）和TG生物合成（Dgat2）的肠道表达被下调了（图7J和K）。7J和K），表明细胞内FA水平下降；这与LD荧光成像的结果（与CD相比，没有显示细胞内LD的变化）一起，支持副干酪乳杆菌肠细胞对食物脂肪吸收减少的观点。另外，Fabp2的表达与载脂蛋白B-48的表达和乳糜微粒的生物合成呈负相关（30），在维持高脂饮食的条件下，L.paracasei小鼠的Fabp2特别过表达（图7L），这也可以解释乳糜微粒分泌的减少。
与副干酪乳杆菌处理的小鼠类似，在HFD上维持的大肠杆菌处理小鼠的肠道中，参与β氧化和TG生物合成的PPAR靶点下调（图7J和K）。然而，与副干酪乳杆菌小鼠相比，微粒体甘油三酯转移蛋白（由Mttp基因编码）的mRNA水平降低（图7K）。重要的是，MTTP在乳糜微生物的生物合成和分泌中起着关键作用，不适当的脂质氧化或MTTP缺乏会导致ApoB蛋白酶体降解和脂质的细胞内积累。结合LD成像结果，这些数据支持了大肠杆菌小鼠乳糜微粒合成中脂质储存增加与饮食脂肪吸收异常和/或细胞内脂质含量缺陷相关的观点。与CD相比，SREBP-2靶点的特异性下调进一步支持了因大肠杆菌小鼠脂质储存增加而导致HFD适应性改变的观点（图7M）。事实上，SREBP-2靶基因的下调完全依赖于细胞内胆固醇含量，这表明在维持HFD的条件下，大肠杆菌小鼠的细胞内胆固醇水平增加和/或小肠胆固醇运输发生改变。
文献来源：
TaziA,AraujoJR,MuletC,etal.Disentanglinghost-microbiotaregulationoflipidsecretionbyenterocytes:insightsfrom