科研| science子刊：肠道菌群通过microRNA调节白色脂肪组织炎症和肥胖
编译：文文，编辑：谢衣、江舜尧。
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肠道菌群是哺乳动物新陈代谢的关键环境决定因素。肠道菌群对白色脂肪组织（WAT）的调节是维持代谢健康的关键过程，肠道失调会促进肥胖和胰岛素抵抗（IR）的发展。但是，肠道菌群如何调节WAT功能在很大程度上仍是未知的。来自美国宾夕法尼亚大学和康涅狄格大学等研究机构的研究人员发现高脂肪饮食导致小鼠WAT中的miR-181激活，随后导致肥胖、IR和WAT炎症。
论文ID
原名：The gut microbiota regulates white adipose tissue inflammation and obesity via a family of microRNAs
译名：肠道菌群通过microRNA调节白色脂肪组织炎症和肥胖
期刊：Science Translational Medicine
IF：17.161
发表时间：2019.6
通讯作者：Jorge Henao-Mejia
通讯作者单位：美国宾夕法尼亚大学
实验设计
研究的总体目标是调查miR-181家族在调节脂肪组织功能和全身代谢以及控制miR-181表达的机制中的作用。为此，我们最初使用饮食诱导肥胖（DIO）小鼠模型，比较了正常饮食（NCD）和高脂饮食（HFD）喂养期间野生型（WT）小鼠和miR-181缺陷（DKO）小鼠的全身代谢反应。因为miR-181在DIO小鼠WAT中显著上调，通过5只敲除miR-181家族的TcKO小鼠，正式检测miR-181家族介导的代谢表型的细胞类型：脂肪细胞，CD4+ T细胞，Tregs，巨噬细胞和肝细胞。为了鉴定白色脂肪细胞中调控miR-181的上游信号，对来自无菌（GF）和常规饲养的无特定病原体（SPF）WT小鼠的附睾WAT（eWAT）的脂肪细胞进行了基因表达分析，对HFD和NCD喂养的WT小鼠进行盲肠代谢组学和血浆质谱分析，并对3 T3-L1A细胞系进行代谢物治疗。为了证实已鉴定的候选代谢产物在体内的作用，向HFD喂养的WT小鼠和miR-181 TcKO小鼠施用吲哚。此外，WT小鼠喂食色氨酸缺乏的饮食，用有/无色氨酸酶的大肠杆菌菌株定植抗生素治疗的WT小鼠。最后，为了确定人类肥胖中miR-181的表达和吲哚丰度，采用了人体WAT活检和血清代谢组学分析，并与BMI值配对。
实验结果
1 miR-181家族在肥胖小鼠和人类的WAT中表达升高
miR-181家族由六个高度保守的成熟miRNA组成，这些miRNA由三个独立的簇转录（图1A）。为研究miR-181家族在代谢调节中的作用，测量了NCD和HFD小鼠不同组织中每个miRNA簇的表达量。结果显示，在DIO期间，所有的miR-181簇在eWAT中上调而在其他组织中无明显变化（图1B-D）。同时，miR-181A2-B2簇在成人脂肪组织中显著上调（图1E）。结果表明，miR-181家族可能在WAT的调节中起关键作用，并且其在DIO期间的失调可能与肥胖和相关炎症有关。
2 miR-181家族促进DIO发展及脂肪增加
三个miR-181簇的敲除是胚胎致死的。因此，作者使用双基因敲除（DKO）小鼠（敲除高表达的两个家族）作为研究对象，研究其在DIO期间的作用。饲喂NCD时，WT和DKO小鼠体重无明显差异，但总脂肪量存在轻微差异（图1F和G）。饲喂HFD时，miR-181缺陷型小鼠完全免于发生肥胖且总脂肪量显著低于WT小鼠（图1F和G）。表明miR-181家族在促进脂肪量增加，驱动肥胖发展中起关键作用。体重和组成的差异是热量摄入或能量消耗变化的结果。饲喂HFD后，miR-181缺陷小鼠的O2消耗量，CO2产生量和热量产生都增加了（图1I-K）。DKO小鼠的呼吸交换率增加（图1L），表明miR-181缺陷型小鼠代谢碳水化合物和脂肪酸的混合物以获取能量。我们还发现，miR-181缺陷小鼠的脂肪量减少和对DIO的抵抗力是能量消耗增加的结果。miR-181缺乏的动物通过多种机制增加可以预防肥胖的能量消耗，其中一些可能取决于Ucp1介导的生热作用。总而言之，小鼠和人类营养过剩期间内脏WAT中miR-181表达异常升高对于DIO和相关疾病的进展至关重要。
3 miR-181促进IR和WAT炎症的发展
为了确定miR-181家族是否在DIO期间调节胰岛素敏感性，测量了血液胰岛素浓度并进行了葡萄糖和胰岛素耐受试验。与WT相比，miR-181缺陷型小鼠对胰岛素更为敏感（图2A-D）。miR-181缺陷型小鼠受到保护，可抵抗肥胖引起的IR（图2E-J），更加说明miR-181家族在调节胰岛素敏感性中的重要作用。此外，观察到DKO小鼠eWAT中的胰岛素信号传导相对于WT小鼠有所增加（图2K），但在包括肝脏在内的其他组织中却没有，确定了eWAT为DKO小鼠中胰岛素信号传导被改变的主要组织。说明miR-181家族主要通过其在WAT中的活性来调节胰岛素敏感性。
为了确定miR-181家族是否调节eWAT炎症，在HFD喂养的WT和DKO动物中对来自该组织的免疫细胞群进行流式细胞术分析。结果显示，来自DKO小鼠的eWAT含有更多的Tregs（调节性T细胞）、嗜酸性细胞和ILC2s（图2L和M）。此外，miR-181缺陷型eWAT中与M2型巨噬细胞极化相关的几个基因的表达增加（图2N）。最后，与DKO小鼠相比，来自NCD喂养的WT小鼠的eWAT中的免疫细胞浸润没有差异。以上结果表明，DIO期间eWAT中miR-181家族的上调是诱导该组织中的炎症的发展所必需的。
为了鉴定eWAT中受miR-181调控的基因控制体重增加，肥胖，炎症或胰岛素敏感性，对HFD喂养的WT和DKO小鼠的eWAT中分离的RNA进行二代测序。发现预测的miR-181靶基因在来自HFD喂养的WT和DKO小鼠的eWAT中差异表达（图3A），进一步对这些靶基因进行功能分析。结果表明，miR-181家族直接调节控制WAT中脂肪细胞功能和发育，能量消耗和胰岛素信号传导的基因网络（图3B）。
为了确定miR-181调节胰岛素敏感性和肥胖的WAT细胞类型，使用条件性敲除小鼠品系（TcKO）进行研究，HFD喂养期间，在任何免疫细胞亚群或肝细胞缺乏miR-181的小鼠中，我们没有观察到IR或肥胖症减少（图3C-F）。相反，脂肪细胞中miR-181的缺失导致体重增加和IR降低（图3G-J）。相对于WT小鼠，NCD喂养的DKO小鼠禁食后的血浆FFA和葡萄糖浓度较低（图3K）。这些结果表明，在肥胖的情况下，脂肪细胞中miR-181的表达促进IR、肥胖和体重增加，而与其他组织或细胞类型无关。
4 肠道菌群调节白色脂肪细胞中miR-181家族的表达
接下来研究调节WAT中miR-181的上游因素。通过验证，发现炎症细胞因子和脂多糖（LPS）转运都不是体内脂肪细胞中miR-181表达的主要调节因子。作者通过比较来自GF和SPF小鼠的eWAT中的miR-181表达来确定微生物群是否是调节脂肪细胞中的miR-181表达的上游因子。结果显示，肠道菌群的存在极大地增加了eWAT脂肪细胞中miR-181a和miR-181b的表达（图4A和B）。用SPF小鼠的菌群在GF小鼠中定殖，可显着提高脂肪细胞中miR-181a和miR-181b的eWAT表达（图4C）。些结果表明微生物群调节eWAT脂肪细胞中miR-181家族的表达，微生物群促进IR和肥胖的关键机制是通过调控eWAT脂肪细胞中这个高度保守的miRNA家族。
5 色氨酸衍生的代谢物控制WAT中miR-181表达
进一步研究肠道菌群影响脂肪细胞中miR-181表达的机制。肠道菌群可以产生数千种可扩散的代谢物，调节肠道远端器官，作者假设这些代谢物可能直接控制WAT中的miR-181的表达。为此，利用非靶向代谢组学数据寻找在HFD期间，丰度减少最多的物质为研究对象（色氨酸衍生的代谢物吲哚-3-羧酸，I3CA）（图4D和E）。吲哚及其羧基化形式的I3CA是由微生物菌群通过肠道管腔中的细菌色氨酸酶从饮食色氨酸中产生的（图4F）。为了确定DIO期间肠中吲哚和吲哚衍生代谢产物的减少是否导致外周循环中这些代谢产物的减少，我们使用了靶向质谱法来定量NCD和HFD喂养的WT小鼠血浆中的吲哚酚硫酸盐浓度。在GF小鼠中不存在硫酸吲哚酚，在NCD喂养的SPF小鼠的血浆中达到约1 mg / ml，而在HFD喂养的SPF小鼠中则大大降低了（图4G）。评估了在费城儿童医院的38名肥胖和非肥胖儿童队列中，发现肥胖儿童血液中的吲哚减少（图4H）。根据上述结果，假设吲哚或其衍生物（如硫酸吲哚酚）可能是脂肪细胞中miR-181表达的负调节剂，从而减轻了肥胖症和IR的发展。
讨论
首先，我们显示了肠道菌群产生的色氨酸衍生代谢产物控制小鼠白色脂肪细胞中miR-181家族的表达，从而调节能量消耗和胰岛素敏感性。此外，肠道菌群–miR-181轴失调是小鼠产生肥胖，IR和WAT发炎所必需的。这些结果表明，肠道微生物群的代谢产物对WAT中miR-181的调节是一种至关重要的机制，通过这种机制，宿主代谢根据饮食和环境的变化受到调节。将增加的miR-181表达与肠道菌群通过色氨酸代谢产生的循环代谢物下降相关联在一起，并通过向小鼠提供吲哚证实了这一点。miR-181在肥胖人的WAT中增加，吲哚在肥胖人的血浆中减少，这表明肠道菌群-miR-181轴与人类疾病存在潜在的相关性。正如我们还发现，在一群肥胖的人类儿童中，WAT中的miR-181表达和血浆中的色氨酸衍生代谢物丰度失调，miR-181家族可能代表了在肥胖背景下调节WAT功能的潜在治疗靶点。
原文网址：https://doi.org/10.1126/scitranslmed.aav1892