腸道微生物介導FGF21對小鼠慢性膳食蛋白質限制的適應性應激反應
2022.01.20
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本期向大家介紹一篇最近在Nature Communications發表的一篇關于腸道微生物介導 FGF21代謝途徑對小鼠慢性膳食蛋白質限制的適應性應激反應的文章,文章題目為:Gut microbiota mediate the FGF21 adaptive stress response to chronic dietary protein-restriction in mice。DOI:10.1038/s41467-021-24074-z,影響因子:12.121。


一、背景介紹

在營養缺乏時,所有物種都存在保持健康的代謝策略。在膳食蛋白質限制 (PR) 時會導致必需氨基酸缺乏,由腸道菌群介導肝臟內分泌的FGF21分子驅動適應性代謝應激反應,促進食物攝入量和能量消耗量增加,同時減少體重和肥胖。FGF21代謝途徑可在長期營養失衡狀態下維持集機體健康。同樣,當添加或減少膳食營養時,腸道微生物群也會發生代謝適應。研究者證實了膳食蛋白質限制觸發的肝臟FGF21適應性代謝途徑是由腸道微生物組介導的,并且可以通過膳食補充纖維來改變腸道微生物組進行調節。


二、研究結果

1、纖維素和菊粉不同程度地減輕膳食PR引起的FGF21代謝應激反應

給小鼠喂食足夠蛋白質18%或10%蛋白質限制的飲食21天,后分別用菊粉和纖維素喂養小鼠。研究者發現,當蛋白質受到限制時,用纖維素飼養小鼠,顯著減弱FGF21代謝應激反應,而菊粉則沒有。相反,當提供足夠蛋白質時,補充纖維對FGF21水平沒有影響。纖維素的FGF21緩解作用具有劑量依賴性,而菊粉喂養可使FGF21保持顯著升高(圖1a,b)。FGF21應激增加,會使小鼠體重下降,膳食PR導致小鼠脂肪和肝臟組織質量減少,但是這種情況會隨著纖維素的補充而減弱。而菊粉喂養,卻使小鼠體重一致減輕,小鼠脂肪和肝臟質量也降低(圖1c-g)。


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圖1


2、纖維補充蛋白質限制飲食差異改變FGF21相關的代謝途徑

研究者發現膳食中無論纖維類型如何,在PR飲食中添加纖維素或菊粉都會抑制eIF2α的激活,且纖維素組中eIF2α 的衰減程度顯著更大(圖2a,b)。此外,膳食PR可使小鼠體內的天冬酰胺合成酶(Asns)和3-磷酸甘油酸脫氫酶(3pgd)基因都顯著上調,給予纖維素能減弱這兩種蛋白的表達。在膳食PS時給予菊粉無類似作用,但在膳食PR時,也可使Asns和3pgd表達量下調(圖2c,d)。結果表明,內源性氨基酸合成可能通過限制飲食蛋白質攝入以補償方式發生改變。


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圖2


3、補充纖維的膳食蛋白質限制促進腸道微生物群組成的差異變化

為了了解PR背景下的纖維補充如何改變腸道微生物群以影響FGF21狀態,用來自上述每種飲食的小鼠的糞便樣本進行了16S rRNA基因測序。發現通過補充膳食纖維可促進腸道微生物群組成的發生差異變化(圖3)。


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圖3


4、在沒有腸道微生物群的情況下FGF21對蛋白質限制的反應減弱

利用GF小鼠,在沒有腸道微生物群的情況下測試了PR的影響。結果表明,盡管存在PR下,GF小鼠體內FGF21和肝臟Fgf21基因表達均減弱,內源性氨基酸生物合成(Asns和3pgd基因表達)反應也減弱,且GF小鼠未發現體重減輕。腸道微生物群的缺失產生類似FGF21 KO小鼠相同程度的FGF21對PR的脫敏,這表明腸道微生物群信號是宿主營養應激反應傳感途徑的一個組成部分(圖4)。


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圖4


5、膳食纖維促進腸道微生物群的組成變化并選擇性地影響FGF21應激反應

鑒于腸道微生物群似乎是PR誘導的FGF21信號傳導的必要組成部分,研究者將纖維添加到PR飲食中時,分析微生物群的變化。結果發現,補充纖維素可通過調節腸道微生物群來緩解蛋白質缺乏癥。腸道微生物群的幾個成員隨著纖維素的補充而相對豐度增加,特別是Parabacteroides distasonis。全基因組測序表明,假設有足夠的碳和氮底物可用,這種細菌也有能力產生必需氨基酸(圖5)。


圖 5.jpg




三、總結

研究結果表明,腸道微生物介導FGF21代謝途徑可對小鼠慢性膳食蛋白質限制的適應性應激反應進行調節。


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