Science代謝組學文獻分享：孕期母體腸道菌群小鼠后代代謝表型影響

代謝組學文獻分享，抗生素和飲食習慣會影響腸道微生物群落，從而使人類易患代謝綜合征等多種疾病。盡管微生物群對產后環(huán)境的影響已得到充分證明，但關于腸道菌群代謝組學對胚胎期的影響還知之甚少。近期，發(fā)表在國際期刊Science上題目為《Maternal gut microbiota in pregnancy influences offspring metabolic phenotype in mice》的文章，探討了小鼠母體腸道菌群對后代胚胎發(fā)育和生命后期疾病易感性的影響，結果發(fā)現孕期母體腸道菌群通過產生短鏈脂肪酸，塑造胚胎的代謝系統發(fā)育。下面來看看具體研究內容吧。
 

作者首先在無病原體（SPF）和無菌（GF）條件下飼養(yǎng)了孕期母鼠，待小鼠出生后由養(yǎng)母在常規(guī)條件下飼養(yǎng)，以適應出生后的生長環(huán)境。代謝組學文獻分享，斷奶后，小鼠被喂食高脂肪飲食（HFD）以誘發(fā)肥胖。結果發(fā)現盡管來自GF-ICR孕鼠的后代出生后體重小于來自SPF-ICR孕鼠的后代，但在生長過程中，其后代因食用HFD而發(fā)生顯著肥胖。與SPF孕鼠的子代相比，GF子代腎周或皮下白色脂肪組織（WAT）和肝臟的重量顯著增加，同時，GF子代的血糖、TGs、非酯化脂肪酸（NEFAs）和總膽固醇水平顯著升高，體溫和心率顯著降低。此外，GF子代表現出食物攝入增加，血漿中腸激素肽YY（PYY）和胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）水平降低，能量消耗減少以及HFD誘導的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗顯著加速的情況。代謝組學文獻分享，這些結果表明，在HFD喂養(yǎng)下，GF后代表現出肥胖表型。文中還發(fā)現成年期的腸道微生物群不是GF后代肥胖傾向表型的主要因素，而且GF子代的代謝紊亂是普遍存在的，與品系和性別無關（圖1）。
 

圖1 喂食HFD后，GF孕鼠的后代表現出嚴重的肥胖表型

考慮到微生物組成的變化可能會導致生態(tài)失調，從而導致宿主中的易感疾病表型。代謝組學文獻分享，而腸道微生物群衍生代謝物如短鏈脂肪酸等，不僅為宿主細胞提供燃料，還充當腸道微生物群和腸外器官之間的信號分子。于是作者假設來自母體腸道微生物群的代謝物信號可能會轉移到胎兒體內并影響代謝系統的發(fā)育。因此分析了SPF和GF-ICR孕鼠及其胚胎中親水和親脂代謝產物的血漿水平。結果發(fā)現只有5種代謝物在孕鼠和胚胎中表現出與飼養(yǎng)條件相似的變化。

尤其是GF孕鼠和胚胎的血漿SCFAs（乙酸、丙酸和丁酸）水平明顯低于SPF對應者�？紤]到妊娠期間SPF組的孕鼠和胚胎的血漿SCFAs水平是恒定的，母體腸道微生物群似乎通過血流向胚胎構成供應SCFAs。代謝組學文獻分享，同時作者在胚胎和成年期的交感神經節(jié)中檢測到Gpr41 mRNA的雙相表達，結腸中Gpr43表達的雙相增加，胰腺中Gpr43 mRNA水平在圍產期-產后期間短暫升高。這些結果表明胚胎代謝組織，如交感神經系統、腸道和胰腺，可能通過表達GPR41和GPR43來感知母體腸道微生物衍生的SCFAs（圖2）。      
 

圖2 胚胎SCFAs依賴于母體腸道微生物群，受體已經在胚胎期表達

接著，作者進一步研究了在胚胎發(fā)育過程中GPR41在交感神經系統中的作用以及GPR43在腸和胰腺中的作用。代謝組學文獻分享，由于GPR41最有效的激動劑是丙酸鹽，而且丙酸鹽是一種比乙酸鹽或丁酸鹽更有效的GPR43配體，文中重點研究了丙酸鹽介導的GPR41和GPR43信號轉導作用。結果發(fā)現，與野生型（WT）胚胎相比，Gpr41−/−C57BL/6J胚胎和具有相同背景的GF胚胎到心臟的交感神經投射明顯減少。

丙酸誘導的Gpr41−/−胚胎交感神經細胞分化被阻斷。代謝組學文獻分享，用抗生素治療WT孕鼠，發(fā)現幼鼠的交感神經對心臟的投射明顯減弱，但在孕期補充丙酸后得到改善（圖3）。同時發(fā)現丙酸顯著促進WT胚胎腸類器官中GLP-1+腸內分泌細胞的分化，這種效應在Gpr43−/−胚胎的類器官中被消除。丙酸鹽和合成的GPR43激動劑苯乙酰胺-1（PA-1）促進了向胰島素+β細胞的分化；然而，這種作用受到RNA干擾介導的GPR43基因敲除的影響（圖4）。

因此，作者推斷來自母體腸道微生物群的丙酸鹽通過GPR41促進交感神經的發(fā)育，通過激活GPR43促進胰腺β細胞和GLP-1陽性腸內分泌細胞的分化。
 

圖3 丙酸通過胚胎GPR41促進交感神經分化
 

圖4 丙酸通過胚胎GPR43促進腸內分泌和胰腺β細胞分化

為了進一步證明SCFAs在肥胖抵抗的發(fā)育起源中的重要性，作者進行了一項飲食干預研究，在常規(guī)條件下給懷孕的ICR小鼠喂食高纖維（HFi）或低纖維（LFi）飲食，然后檢查其后代對肥胖的易感性。代謝組學文獻分享，結果發(fā)現HFi攝入抑制了HFD引起的體重增加，但當給懷孕小鼠使用抗生素時，HFi飲食的效果被取消，這表明膳食纖維的微生物發(fā)酵有助于抑制肥胖。

與LFi后代相比，HFi后代血漿代謝參數，能量消耗，交感神經功能障礙如體溫降低和心率波動也有改善。孕鼠和胚胎血漿樣本的代謝組學分析顯示，LFi-和HFi-喂養(yǎng)組之間分別有11和4種代謝物發(fā)生了顯著變化，其中4種代謝物在HFi-喂養(yǎng)的孕鼠及其胚胎中普遍增加。在這4種代謝產物中，SCFAs是SPF與GF和LFi與HFi比較中的唯一共同因素。HFi喂養(yǎng)小鼠的胚胎中SCFAs水平顯著高于LFi喂養(yǎng)小鼠。此外，HFi胚胎的血漿胰島素水平顯著高于LFi胚胎，血漿葡萄糖水平顯著降低。因此，母體腸道微生物群通過發(fā)酵膳食纖維產生的SCFAs通過母體循環(huán)提供給胚胎，改善胎兒葡萄糖穩(wěn)態(tài)，并賦予后代對肥胖的抵抗力（圖5）。
 

圖5 孕鼠補充膳食纖維可使后代對肥胖產生抵抗力

考慮到HFi胚胎血漿丙酸水平可能足以激活GPR41和/或GPR43受體，而且正電子發(fā)射斷層掃描（PET）顯示，灌注后40分鐘內，結腸腔內C11標記的丙酸鹽通過母體肝臟和血流到達胚胎。因此，作者進一步研究丙酸鹽在后代肥胖抵抗中的作用，給懷孕的ICR小鼠喂食添加丙酸鹽的LFi飲食。這種飲食的攝入提高了孕鼠和胚胎中丙酸的血漿水平。代謝組學文獻分享，丙酸處理抑制了HFD引起的成年后代體重、腎周或皮下WAT質量和肝臟重量的增加。與對照LFi后代相比，丙酸處理的孕鼠后代的血漿代謝參數、HFD誘導的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗、能量消耗及LFi子代的交感神經功能障礙得到改善。

此外，母體丙酸的干預可以逆轉LFi喂養(yǎng)的孕鼠胚胎中交感神經向心臟投射的阻滯，以及GLP-1+腸內分泌細胞和胰腺β細胞分化的阻滯；還可以提高胚胎中的血漿胰島素水平，恢復到與HFi胚胎相當的水平。代謝組學文獻分享，與接受抗生素治療的HFi喂養(yǎng)的孕鼠的后代一致，HFi喂養(yǎng)的GF-ICR孕鼠的后代再現了肥胖傾向的表型，并在孕期給予丙酸鹽予以挽救。這些結果確定了孕期補充丙酸鹽可使后代對肥胖有抵抗力（圖6）。
 

圖6 孕鼠補充丙酸鹽可導致后代對肥胖的抵抗力
 

圖7 總結圖 | 在懷孕期間，母體腸道菌群
通過胚胎的SCFA受體影響后代的肥胖趨勢

總結

1.在高脂飲食喂食下，GF孕鼠的后代比SPF孕鼠的后代更易患代謝綜合征，且喂食低纖維（LFi）飲食的孕鼠后代中也有類似的表型。

2.孕期小鼠結腸腔內的SCFAs通過母體肝臟和血流到達胚胎，作用于胚胎交感神經上的受體GPR41以及腸上皮和胰腺上的GPR43，代謝組學文獻分享，促進神經細胞、GLP-1+腸內分泌細胞和胰島β細胞的分化，從而影響了后代甚至成年后能量代謝的發(fā)展。

3.通過孕期補充高纖維膳食，以及給GF或LFi喂養(yǎng)的孕鼠補充丙酸，從而使后代對肥胖具有抵抗力。