解读人：闫克强，Metabolic and gut microbial characterization of obesity-prone mice under high-fat diet（高脂饮食下易胖倾向小鼠的代谢和肠道微生物菌群特征分析）

单位：

1. 上海中医药大学
2. 蚌埠医学院
3. 上海交通大学附属第六人民医院
4. 夏威夷大学癌症中心
5. 第二军医大学

技术：非靶向代谢组学，16S rRNA测序技术

一、 概述：

本研究对小鼠进行高脂饮食，根据体重增长率将其分为易胖类小鼠(OP)和不易胖小鼠(OR)。通过气相质谱对其血浆代谢物进行分析，同时利用16S rRNA测序的方法对其肠道微生物进行测序分析。在Con，OP，OR共鉴定到60种差异代谢物，其中27种是OP相关的。这些差异代谢物重要集中于糖酵解、脂质和氨基酸代谢、TCA循环等。在肠道研究中，OP小鼠的肠道菌群与OR或Con小鼠显著不同。其厚壁菌门和拟杆菌门的比值下降，而变形菌门的比重上升。其外还发现，OP小鼠肠道菌群的变化与一些差异血浆代谢物具有显著相关性。OP小鼠中的Parasutterella与大部分代谢物相关，暗示其在肥胖中可能具有重要作用。OP小鼠表现出的代谢物差异和肠道菌群差异，以及二者之间的关联性将有助于我们对肥胖形成的机理认识。

二、 研究背景：

肥胖是许多代谢类疾病的主要风险因素。研究发现，肠道菌群调节的失衡会导致肥胖以及肥胖相关的代谢疾病的形成。在研究肥胖机理时，我们通常将对高脂饮食诱导肥胖敏感的表型称为易胖（OP）表型，不敏感的表型为不易胖（OR）表型。之前结合转录组学和代谢组学的研究表明，两种表型在肝脏、血浆以及尿液样本中的基因表达、代谢物水平均存在显著差异。此外，OP表型与肠道微生物的关联也在一些研究中有报道。然而，OP和OR表型中，代谢物与肠道微生物的交互关系目前还不清楚。

本研究中，OP小鼠和OR小鼠通过高脂饮食进行分组。分别用GC/MS非靶向代谢组学和16S rDNA测序对样本的血浆代谢物和盲肠细菌群落进行分析。研究表明，OP和OR小鼠的血浆代谢物和肠道微生物群落均存在显著的差别。OP相关的差异代谢物主要包括脂肪酸、氨基酸、甲酸、果糖、磷酸乙醇胺、乙醇酸等。肠道微生物研究不仅找到了不同表型的一些差异物种，同时也发现了不同表型间这些物种与代谢物之间的相互关系。

三、实验设计：

四、研究成果：

1、图1比较了对照、OP以及OR三组小鼠的表型差异，包括体重增长（A）、白色脂肪组织（WAT）重量（B）、WAT指数（C）、肝脏重量（D）、肝脏指数（E）、肝脏TG（F）和肝脏TC（G）、尿液TG（H）和尿液TC（I）。通过比较发现，OP小鼠与其他组别小鼠在多数表型中存在显著的差别。（TG：甘油三酯，TC：胆固醇）

图1，不同组别的小鼠的表型比较。

2、对不同组别小鼠的代谢物进行分析，共鉴定到182种代谢物，利用PCA和PLS-DA模型可以显著地将二者区分开。利用PLS-DA模型以及多元统计模型进行筛选（VIP>1，p<0.01），发现有48种代谢物在OP和Con中显著不同，32种代谢物在OR和Con中显著不同，21种代谢物在OP和OR中显著不同。进一步比较三者的交集和并集，可以将代谢物划分为7类（I-VII），其中有27种差异代谢物是在OP和OR中均显著差异的，27种代谢物是在OP与OR比较中显著差异的代谢物。

图2，三种组别小鼠的代谢物分析结果。A、PCA分析结果。B、PLS-DA分析结果。C、D、E分别为OP与Con、OR与Con、OP与OR的差异代谢物结果。F、差异代谢物的韦恩图展示结果。

3、在27种OP相关的代谢物中进行分析，发现其主要集中在下图的通路中，这27种代谢物在OP中均为上调。其中25%属于脂肪酸。其中OP小鼠增加的饱和脂肪酸（SFAs）可能导致了OP小鼠肥胖表型的产生。33%代谢物属于氨基酸以及相关的代谢物。其他代谢物分别参与了糖酵解途径、氧化胁迫途径、TCA循环、尿素循环等。这些代谢途径的变化可能导致了肥胖表型的产生。

图3，OP小鼠的差异代谢通路。

4、对不同组别的肠道菌群进行分析发现，在PCA中，三种组别可以明显区分开。β多样性分析表明，OP小鼠的拟杆菌门相对较高、厚壁菌门相对较低。在属的层面，可以进一步发现更多的属在OP和其他类别的小鼠中的丰度存在差异。

图4，不同组别的微生物群落结构比较。A、PCA分析。B、三种组别门层面微生物物种组成分布。C、差异种属分析。

5、OR小鼠差异代谢物与差异肠道物种的关联分析。对OP小鼠类别中代谢分析得到的27种差异代谢物和16S分析得到的14种差异物种进行相关性分析，发现19个差异代谢物与11个属存在显著相关。其中，Parasutterella与多个属存在正相关、Wolinella与多个属存在负相关。暗示了不同的物种在OP小鼠中可能发挥不同的作用。

图5，OP小鼠差异种属与差异代谢物的相关性分析。

文章评论：

文章在研究肥胖机理中，结合了代谢组学方法与肠道微生物群落研究方法。通过二者的结合来阐述肠道微生物在肥胖发生中的作用。研究表明，肠道微生物的改变与一些代谢物的变化存在显著的关联，为今后肥胖发生的机理研究提供了新的观点。但文章只关注了肠道菌群的组成变化，并没有考虑其种群变化引起的功能改变，进一步通过功能改变与代谢物的变化结合。如果进行宏基因组或者宏蛋白质组分析，将会进一步揭示微生物在肥胖发生中的作用机制，研究结论也会更加清晰。