近期，中科院微生物研究所劉宏偉/劉雙江團(tuán)隊(duì)，在Nature集團(tuán)旗下的知名期刊《Nature Metabolism》，發(fā)表重磅研究成果，可喜可賀！
本研究發(fā)現(xiàn)口服靈芝雜萜衍生物(GMD)能通過(guò)提高腸道糞副擬桿菌（Parabacteroides merdaede）的水平，增強(qiáng)腸道支鏈氨基酸（BCAA）分解代謝，抑制動(dòng)脈斑塊巨噬細(xì)胞mTORC1通路激活，發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化作用，從而改善由高脂飲食（HFD）誘導(dǎo)的ApoE?/?(載脂蛋白E敲除)小鼠的動(dòng)脈粥樣硬化。該研究揭示了腸道菌群介導(dǎo)的改善動(dòng)脈粥樣硬化的一種新機(jī)制，并為調(diào)控菌群改善心血管健康提供了新的干預(yù)策略！
心血管疾病（CVD）嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康，每年在全世界造成約 1700 多萬(wàn)人死亡。動(dòng)脈粥樣硬化（AS）是心血管疾病病理變化的基礎(chǔ)，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，缺乏針對(duì)性的治療藥物和手段。人體腸道微生物組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群在心血管疾病（CVD）中發(fā)揮關(guān)鍵作用，多種腸道微生物來(lái)源的代謝物顯示出抗或促動(dòng)脈粥樣硬化（AS）的作用。
在以往的研究中證明，靈芝雜萜衍生物(GMD)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)肥胖小鼠的腸道菌群，來(lái)有效改善其胰島素抵抗、肥胖、高血糖、高血脂等代謝綜合癥，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在GMD治療的肥胖、高血糖和高血脂等動(dòng)物模型中，幾種腸道微生物群，包括Faeciroseburia?intestinalis、Parabacteroides?distasonis和Bacteroides?xylanisolvens顯著富集。而肥胖、胰島素抵抗、高脂血癥和腸道功能障礙等是CVD的重要影響因素，所以研究人員假設(shè)GMD是否也可以借著腸道微生物群來(lái)抵抗動(dòng)脈粥樣硬化。
研究人員首先在高脂飲食（HFD）喂養(yǎng)的動(dòng)脈粥樣硬化ApoE?/?小鼠模型中，觀察并比較GMD的治療效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，口服GMD可以有效改善小鼠動(dòng)脈粥樣硬化癥狀。同時(shí)證明GMD可以改變腸道菌群，使腸道共生菌糞副擬桿菌（Parabacteroides merdaede）豐度顯著上升，并增強(qiáng)腸道支鏈氨基酸（BCAA）分解代謝，抑制動(dòng)脈斑塊巨噬細(xì)胞mTORC1通路激活，發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化作用；在對(duì)公開(kāi)數(shù)據(jù)及現(xiàn)有數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析挖掘顯示，BCAA的異常代謝和積累與胰島素抵抗和CVD的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。研究證明了靶向調(diào)控腸道菌群微生態(tài)在治療CVD疾病中的重要潛力，為臨床治療提供了新的思路。
糞副擬桿菌Parabacteroid merdaede改善動(dòng)脈粥樣硬化機(jī)制
小鼠糞便16S rRNA基因V3V4區(qū)測(cè)序+QIIME2分析流程；色譜和質(zhì)譜檢測(cè)分析
將高脂喂養(yǎng)（HFD）的ApoE?/?小鼠隨機(jī)分組，分別服用GMD (5 mg/kg或10 mg/kg)、阿托伐他汀(10 mg/kg)或空白對(duì)照9周；同時(shí)以正常飼料喂養(yǎng)的C57BL/6J小鼠作為對(duì)照，結(jié)果顯示，口服GMD對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展具有良好的抑制作用。
小鼠糞便樣本16S rRNA基因測(cè)序分析結(jié)果顯示， GMD處理組與對(duì)照組的Alpha多樣性無(wú)顯著差異；而B(niǎo)eta多樣性分析顯示腸道菌群的組成和豐度存在顯著差異；LEfSe分析顯示，模型中組中Deferribacteraceae科、Desulfovibrionaceae科、Ruminiclostridium屬、Bilophila屬、Anaerotruncus屬、Oscillibacter屬和Helicobacter bilis種顯著富集，而在GMD處理組中，Tannerellaceae科、Akkermansiaceae科、Parabacteroides屬、Akkermansia屬、Roseburia屬和Parabacteroides merdaede種, Bacteroides?acidifaciens種和Bacteroides種顯著富集。基于PICRUSt2軟件預(yù)測(cè)獲得KEGG代謝通路的相對(duì)豐度，同時(shí)通過(guò)LEfSe分析顯示，GMD處理組中BCAA降解和氨基酸代謝通路顯著富集。SIMPER分析量化了兩組間顯著變化的貢獻(xiàn)度，結(jié)果顯示，GMD處理后的糞副擬桿菌（P. merdae）豐度升高420倍，且是GMD誘導(dǎo)腸道菌群變化最大的貢獻(xiàn)者。同時(shí)研究人員分析了一個(gè)來(lái)自中國(guó)的公開(kāi)動(dòng)脈粥樣硬化隊(duì)列和一個(gè)歐洲人群CVD隊(duì)列的腸道宏基因組數(shù)據(jù)集，發(fā)現(xiàn)腸道P. merdae豐度與CVD疾病顯著負(fù)相關(guān)。
為了進(jìn)一步闡明P. merdae在抗動(dòng)脈粥樣硬化中的作用，研究人員將P. merdae活菌、熱滅活的P. merdae以及PBS緩沖液分別灌胃給高脂喂養(yǎng)的ApoE?/?小鼠4周。結(jié)果顯示，P. merda活菌處理顯著改善ApoE?/?小鼠的動(dòng)脈粥樣硬化跡象，HFD誘導(dǎo)的小鼠體重、TC、T-TG和LDL-C的水平顯著降低；主動(dòng)脈根部病變面積、斑塊區(qū)域脂肪沉積、壞死核心區(qū)域顯著降低，斑塊膠原蛋白水平顯著上升；血漿LPS、ox-LDL、hs-CRP和肝臟脂肪變性水平降低。而熱滅活的P. merda處理組并無(wú)明顯改善。通過(guò)qPCR方法測(cè)定顯示，ApoE?/?小鼠糞便中P. merda的相對(duì)豐度顯著增加，證明其在腸道定植。P. merda處理組和模型組Alpha多樣性無(wú)顯著差異；Beta多樣性分析顯示在屬和種水平上兩組存在顯著差異，與GMD的結(jié)果一致。P. merda的定植顯著增加了HFD處理的的ApoE?/?小鼠中Akkermansia和Parabacteroides的豐度，并增強(qiáng)了纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解有關(guān)的代謝通路豐度。
為了確認(rèn)P. merda分解代謝BCAAs的能力，對(duì)GMD或活菌P. merda處理的高脂喂養(yǎng)的ApoE?/?小鼠進(jìn)行BCAAs和SCFAs的靶向代謝組檢測(cè)。結(jié)果顯示，處理組的糞便BSCFAs(包括異丁酸、異戊酸和2-甲基丁酸)顯著增加，糞便和血漿中BCAAs減少，表明GMD和糞副擬桿菌對(duì)腸道中BCAA降解的影響。為了證實(shí)糞副擬桿菌對(duì)BCAAs的分解能力，對(duì)糞副擬桿菌進(jìn)行體外培養(yǎng)，檢測(cè)培養(yǎng)后的BSCFAs水平，結(jié)果顯示，在孵育24小時(shí)后檢測(cè)到異丁酸、異戊酸和2-甲基丁酸，驗(yàn)證了糞副擬桿菌將BCAAs轉(zhuǎn)化為BSCFAs的能力。同時(shí)，為了進(jìn)一步了解P. merda分解代謝BCAAs的能力，研究人員使用gutSMASH進(jìn)行了泛基因組分析以識(shí)別已知和推斷的基因。根據(jù)以往研究顯示，在Clostridium?sporogenes中，porA基因可催化BCAAs轉(zhuǎn)化為BSCFAs，以該基因?yàn)橐罁?jù)，從P. merda基因組中鑒定出60%相似度的porA同源基因。同時(shí)，研究人員通過(guò)HUMAnN3分析了中國(guó)CVD隊(duì)列腸道菌群中porA同源基因的豐度，結(jié)果顯示，與健康組相比，動(dòng)脈粥樣硬化患者的腸道菌群中的P. merda和porA基因顯著減少，對(duì)405個(gè)宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析顯示porA基因豐度與P. merda的相對(duì)豐度呈正相關(guān)。
為了驗(yàn)證假設(shè)，研究人員構(gòu)建敲除porA的P. merda突變株(PMΔPorA)，靶向代謝檢測(cè)結(jié)果表明，敲除porA后，BCAAs無(wú)法轉(zhuǎn)化為BSCFAs。后續(xù)為了測(cè)試porA基因依賴(lài)的BCAAs分解代謝是P. merda抗動(dòng)脈粥樣硬化作用機(jī)制，研究人員將PMΔPorA菌株與野生型菌株(PMWT)分別接種給HFD喂養(yǎng)的ApoE?/?小鼠。在porA基因的缺失不影響糞副擬桿菌定植能力情況下，與野生型菌株接種對(duì)照組相比，接種敲除porA的糞副擬桿菌的小鼠的血漿和糞便BCAAs水平顯著升高，且主動(dòng)脈根病變面積、斑塊脂肪沉積、體重增加、血漿脂質(zhì)(TC、T-TG和LDL-C)、LPS、ox-LDL、hs-CRP、TNF-α、IL-1β和IL-6均未改善。提示糞副擬桿菌在治療肥胖相關(guān)動(dòng)脈粥樣硬化方面的潛力，表明porA調(diào)節(jié)的腸道BCAAs分解代謝是糞副擬桿菌抗動(dòng)脈粥樣硬化作用的潛在機(jī)制。
在機(jī)制方面，mTORC1信號(hào)通路的過(guò)度活化與動(dòng)脈粥樣硬化和胰島素抵抗有關(guān)。根據(jù)已有研究顯示，高蛋白飲食會(huì)促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化和病變，同時(shí)伴有循環(huán)亮氨酸水平的增加和斑塊巨噬細(xì)胞中mTORC1信號(hào)的激活。通過(guò)免疫熒光染色PMΔPorA或PMWT處理的小鼠主動(dòng)脈根，比較動(dòng)脈粥樣硬化斑塊巨噬細(xì)胞中mTORC1通路的激活，其中下游靶核糖體蛋白S6 的磷酸化標(biāo)志著mTORC1的激活。結(jié)果顯示，與接種野生型糞副擬桿菌小鼠相比，接種敲除porA的糞副擬桿菌的小鼠組的斑塊S6的磷酸化(pS6)顯著增加，mTORC1通路激活增強(qiáng)。為了排除已報(bào)道的其他mTORC1誘導(dǎo)劑（如精氨酸或谷氨酸）的影響，靶向代謝組檢測(cè)17種血漿氨基酸的水平，結(jié)果顯示，在PMΔPorA和PMWT處理的小鼠之間，除BCAAs外的其他氨基酸水平均無(wú)差異。因此，BCAAs激活的mTORC1通路的調(diào)控有助于糞副擬桿菌抗動(dòng)脈粥樣硬化的功效。
口服靈芝雜萜衍生物（GMD）可改善高脂飲食誘導(dǎo)的ApoE-/-動(dòng)脈粥樣硬化小鼠的糖脂代謝，改善動(dòng)脈粥樣硬化；GMD可以改善腸道菌群，使共生菌糞副擬桿菌（Parabacteroides merdaede）豐度顯著上調(diào)，并增強(qiáng)腸道支鏈氨基酸（BCAA）分解代謝，抑制動(dòng)脈斑塊巨噬細(xì)胞mTORC1通路激活，發(fā)揮抗動(dòng)脈粥樣硬化作用；P. merdaede的BCAA分解關(guān)鍵基因porA起介導(dǎo)作用，且動(dòng)脈粥樣硬化患者腸道菌群中缺乏P. merdaede和porA基因；GMD和P. merdaede可有效改善高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖與胰島素抵抗的動(dòng)脈粥樣硬化，并揭示了腸道菌群驅(qū)動(dòng)的BCAAs分解代謝在維持機(jī)體心血管健康方面的重要作用。
文章索引
Qiao S, Liu C, Sun L, Wang T, Dai H, Wang K, Bao L, Li H, Wang W, Liu SJ, Liu H. Gut Parabacteroides merdae protects against cardiovascular damage by enhancing branched-chain amino acid catabolism. Nat Metab. 2022 Oct;4(10):1271-1286. doi: 10.1038/s42255-022-00649-y. Epub 2022 Oct 17. PMID: 36253620.
