《科学》：高脂饮食毁肠道、乱肠菌、伤血管！科学家发现高脂饮食破坏肠细胞线粒体功能，促进大肠杆菌的生长...
高脂饮食导致心血管疾病的关键一环，终于被找到了。
近日，来自范德堡医学大学中心Mariana X. Byndloss教授团队和加利福尼亚大学戴维斯分校Andreas J. Bäumler教授团队，在《科学》期刊上发表了一项重要的研究成果[1]。
他们发现，高脂饮食会损害结肠上皮细胞线粒体的功能，导致肠道氧气和硝酸盐的浓度增加，促进大肠杆菌的生长以及对胆碱的分解，导致三甲胺（TMA) 水平增加，最终导致循环中有害代谢物氧化三甲胺 (TMAO)水平的升高。
这项研究不仅打通了高脂饮食、肠道微生物和心血管疾病关系链，还首次阐明了TMAO途径中饮食、肠道生理和肠道微生物之间的复杂相互作用关系。
论文首页截图
我们都知道，西式高脂饮食会增加心血管疾病的患病风险，其中部分原因是高脂饮食中富含胆碱，胆碱会被肠道菌群代谢成TMA[2]，TMA在肠道中被吸收，最终在肝脏中转化为能促进动脉粥样硬化等心血管疾病的有害代谢物——TMAO[3]。
然而，在这个过程中高脂饮食是否会影响肠道微生物的组成，以及如何影响肠菌的组成，目前仍知之甚少。
实际上，之前有研究表明，高脂饮食会导致小鼠粪便中兼性厌氧肠杆菌科细菌丰度增加，这表明高脂饮食可以改变肠道微生物群组成[4]。
此外，也有研究表明，高脂饮食还会改变宿主肠道生理。例如，饮食中的饱和脂肪酸通过诱导线粒体产生过氧化氢，引起线粒体功能障碍[5]，损害肠道上皮生理状态。
那么，高脂饮食诱导的线粒体损伤是否与肠杆菌科丰度增加有关呢？如果有关的话，这是不是高脂饮食导致TMAO水平升高的关键一环呢？
带着这些问题，研究人员首先构建了高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型，结果发现高脂饮食诱导的小鼠结肠上皮细胞中线粒体相关标记物的mRNA水平、三磷酸腺苷（ATP）水平和丙酮酸脱氢酶（PDH）活性均显著降低，提示高脂饮食会导致上皮细胞线粒体活性降低。
高脂饮食诱导的小鼠结肠上皮细胞线粒体损伤相关指标检测
这问题就大了。
我们都知道，在正常情况下，肠道内是缺氧的，厌氧生物在其中占据主导地位[6]。这种缺氧的状态对于调节肠道屏障功能和维持肠道稳态具有重要的意义。
值得注意的是，在结肠中，高线粒体活性对维持上皮细胞缺氧状态至关重要，一旦线粒体活性降低，上皮细胞缺氧状态就被破坏，肠道微生物的平衡肯定会被打破。
为了证明上述猜测，研究人员给小鼠接种了兼性厌氧的野生型大肠杆菌Nissle 1917，然后分别用高脂食物和低脂食物喂养，结果发现：与低脂饮食小鼠相比，高脂饮食小鼠粪便中大肠杆菌丰度显著升高。
为了进一步研究高脂饮食对结肠上皮缺氧状态的影响，研究人员又用外源性缺氧标记物哌莫硝唑（Pimonidazole），分别给低脂和高脂饮食小鼠的结肠上皮细胞进行染色标记。结果发现：低脂饮食小鼠的结肠上皮表面是缺氧的，而高脂饮食小鼠结肠上皮缺氧状态被消除。
以上结果表明高脂饮食诱导线粒体活性降低，破坏结肠上皮表面缺氧状态，进而促进肠杆菌科丰度增加。
小鼠结肠切片哌莫硝唑染色
那高脂饮食是如何降低线粒体活性，并破坏结肠上皮表面缺氧状态的呢？
之前的研究表明，在结肠上皮细胞中，线粒体活性降低与Nos2表达水平上调相关[7]。Nos2基因编码诱导型一氧化氮合酶，促进一氧化氮产生，并在肠粘膜层转化为硝酸盐[8]。
如此看来问题关键可能在Nos2上。
果不其然，研究人员在正常小鼠和无菌小鼠中都观察到：高脂饮食喂养后，结肠上皮细胞Nos2的表达水平，以及结肠黏液层中的硝酸盐浓度均显著增加。
此外，研究人员构建了野生型大肠杆菌Nissle 1917的cydAB突变体（有氧呼吸缺陷突变体），以1：1的比例将Nissle 1917与突变体混合接种于正常小鼠体内，然后比较这两种菌株的生长状况。结果显示：高脂饮食诱导下，野生型菌株更具有竞争优势，恢复生长较快。
研究人员采用相同的方法，比较了野生型大肠杆菌Nissle 1917菌株和napA narG narZ突变体（硝酸盐呼吸缺陷突变体）的生长，观察到同样的现象。
这些结果表明，高脂饮食为进行有氧呼吸和硝酸盐呼吸的大肠杆菌菌株Nissle 1917提供了生长优势，提示高脂饮食诱导肠道氧气和硝酸盐浓度的增加，驱动大肠杆菌生长。
正常小鼠接种野生型和突变型大肠杆菌Nissle 1917菌株，在不同时间点检测CFU，计算竞争指数（CI）
那么，高脂饮食诱导的宿主氧气和硝酸盐增加，促进了大肠杆菌的生长，是否还会促进大肠杆菌对胆碱的分解代谢并产生TMA呢？
为了解答这个问题，研究人员使用了大肠杆菌菌株MS 200-1进行研究，该菌株带有cutC基因（编码将胆碱转化为TMA的关键蛋白）。
大肠杆菌MS 200-1中cutC基因介导的胆碱分解代谢途径
研究人员分别构建了野生型MS 200-1菌株和cutC基因突变型MS 200-1菌株，并在体外模拟肠道环境进行培养。研究人员选用了无碳源必需培养基（NCE）培养大肠杆菌，并在培养基中添加胆碱作为碳源观察大肠杆菌的生长状况。
我们前面提到，硝酸盐浓度的升高也有利于大肠杆菌的生长，如果在NCE培养基中单独添加硝酸盐，是否会对野生型和突变型MS 200-1的生长产生影响呢？
令人惊讶的是，在低氧（1%）环境下，当培养基中单独添加胆碱或者硝酸盐，两种菌株生长状态并无明显差异，而在同时添加胆碱和硝酸盐的培养基中，野生型菌株具有明显的生长优势，并且其cutC基因的表达水平显著上升。
在厌氧环境中观察到类似的现象，即当培养基同时含有胆碱和硝酸盐时，野生型菌株具有明显的生长优势，并且cutC基因表达水平更高。
氧气和硝酸盐参与大肠杆菌对胆碱的分解代谢
此外，相比于厌氧条件，低氧（1%）条件下的野生型和突变型大肠杆菌都更具有生长优势。
以上结果表明氧气和硝酸盐的增加为大肠杆菌提供了生长优势，增加cutC基因的表达。
于是，研究人员预测：高脂饮食诱导的宿主氧气和硝酸盐浓度增加将导致大肠杆菌对胆碱的分解代谢升高。这一猜想也在后续的体内实验中得到了证实。
基于以上结果，研究人员打算进一步探索大肠杆菌对胆碱的分解代谢增加，是否会促进循环中TMAO的水平。
研究人员分别在无菌小鼠体内接种野生型MS 200-1菌株及cutC基因突变型MS 200-1菌株，用高脂饮食诱导后，相比于突变型菌株，接种野生型菌株的小鼠血液中TMAO水平显著升高。
这些结果证实了高脂饮食诱导的宿主氧气和硝酸盐的增加，促进了大肠杆菌对胆碱的分解代谢，进而导致小鼠血浆中TMAO水平的增加。
研究进行到这里，我们已经清晰的了解了高脂饮食通过肠道菌群促进TMAO生成的具体机制。不过，研究人员还希望能开发出一种药物，旨在降低高脂饮食小鼠的TMAO水平。
研究人员选择了5-氨基水杨酸（5-ASA）作为受试药物，这是目前被批准用于治疗炎症性肠病的药物。那么，在高脂诱导小鼠模型中，它又将发挥怎样的作用呢？
他们发现，5-ASA可靶向过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPAR-γ），特异性激活肠上皮细胞中的线粒体，恢复上皮细胞缺氧状态，降低循环中TMAO的水平。
总的来说，本研究发现高脂饮食影响宿主生理和肠道菌群之间的相互作用，改变肠道菌群代谢，促进其对胆碱的分解代谢，提高循环中TMAO水平，这一机制为心血管疾病的治疗提供了新的思路。此外，本研究也为预防高脂饮食引起的心血管疾病提供了潜在的治疗药物。
虽然本研究已经阐明胆碱被转化为TMAO的微生物代谢途径，但是这一代谢途径在心脏病等心血管疾病中的具体作用还不十分清楚。因此，在未来的研究中，研究人员或将视野转移到心血管疾病模型的研究上，深入探索宿主微生物之间的复杂相互作用关系在相关疾病中的作用。
最后，让我们一起养成健康的饮食习惯，跟所有的烦恼说拜拜！
参考文献：
[1]. Yoo W, Zieba JK, Foegeding NJ, et al. High-fat diet-induced colonocyte dysfunction escalates microbiota-derived trimethylamine N-oxide. Science. 2021;373(6556):813-818. doi:10.1126/science.aba3683.
[2]. Martínez-del Campo A, Bodea S, Hamer HA, et al. Characterization and detection of a widely distributed gene cluster that predicts anaerobic choline utilization by human gut bacteria. mBio. 2015;6(2): e00042-15. Published 2015 Apr 14. doi:10.1128/mBio.00042-15.
[3]. Wang Z, Klipfell E, Bennett BJ, et al. Gut flora metabolism of phosphatidylcholine promotes cardiovascular disease. Nature. 2011;472(7341):57-63. doi:10.1038/nature09922.
[4]. Martinez-Medina M, Denizot J, Dreux N, et al. Western diet induces dysbiosis with increased E coli in CEABAC10 mice, alters host barrier function favouring AIEC colonisation. Gut. 2014;63(1):116-124. doi:10.1136/gutjnl-2012-304119.
[5]. Kakimoto PA, Tamaki FK, Cardoso AR, Marana SR, Kowaltowski AJ. H2O2 release from the very long chain acyl-CoA dehydrogenase. Redox Biol. 2015;4:375-380. doi:10.1016/j.redox.2015.02.003.
[6]. Litvak Y, Byndloss MX, Bäumler AJ. Colonocyte metabolism shapes the gut microbiota. Science. 2018;362(6418):eaat9076. doi:10.1126/science.aat9076.
[7]. Byndloss MX, Olsan EE, Rivera-Chávez F, et al. Microbiota-activated PPAR-γ signaling inhibits dysbiotic Enterobacteriaceae expansion. Science. 2017;357(6351):570-575. doi:10.1126/science.aam9949.
[8]. Winter SE, Winter MG, Xavier MN, et al. Host-derived nitrate boosts growth of E. coli in the inflamed gut. Science. 2013;339(6120):708-711. doi:10.1126/science.1232467.
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