Microbiome：肠道菌群ClpB基因功能与减肥和特征性微生物群有关

发稿时间：2020-05-15来源：天昊生物

英文题目: Gut bacterial ClpB-like gene function is associated with decreased body weight and a characteristic microbiota profile

中文题目：肠道菌群ClpB基因功能与减肥和特征性微生物群有关

期刊名：Microbiome

影响因子：10.465

发表时间：2020年

背景：陪伴蛋白ClpB(一种细菌蛋白)是α-黑素细胞刺激素（α-MSH）的构象抗原模拟物，参与小鼠体重调节，在此我们研究了肠道菌群ClpB基因功能与人类肥胖状况和肠道微生物群的潜在关联。

结果：肠道菌群ClpB基因的KEGG功能与体重指数、腰围、总脂肪质量（DEXA）呈负相关。肥胖者中与ClpB直接相关的几个细菌门和科的相对丰度（RA）降低。具体地说，在肥胖的受试者中，Rikenellaceae, Clostridiaceae , assigned Firmicutes相对丰度较低，并且与肠道菌群ClpB基因功能呈正相关；肠道菌群ClpB基因功能也与血浆代谢产物（马尿酸和3-吲哚丙酸）和粪便羽扇豆酚有关，在这些细菌的一些序列中，还鉴定出了与大肠杆菌ClpB相似的α-MSH样表位。将人体粪便移植到小鼠后，在调整了供体的体重指数后，对人类ClpB基因功能贡献大的细菌科也与小鼠ClpB基因功能相关；Clostridiaceae和Prevotellaceae的相对丰度也与小鼠体重增加呈负相关；Prevotellaceae绝对丰度（AA）与小鼠肠道细菌ClpB基因功能呈正相关；DESeq2差异分析鉴定了Prevotellaceae的种类，它们与小鼠体重增加呈负相关，与肠道细菌ClpB基因功能呈正相关。

结论：总之，肠道细菌ClpB基因功能与肥胖状态、部分移植到小鼠体内的人体特定肠道微生物群和血浆代谢物相关。

研究背景:

肥胖正在迅速成为一种全球流行病，对其控制是制止这种趋势的首要挑战。微生物群在肥胖症和相关并发症的病理生理中的作用日益得到认可。 菌群-肠-脑轴与代谢，能量平衡，肥胖，中枢食欲的调节有关。肠道菌群可以调节肠道饱腹感和饥饿激素，例如胰高血糖素样肽1（GLP-1）和生长素释放肽，它们会影响促厌食和促食欲途径，还可以影响阿黑皮质原衍生肽（POMC）和 神经肽Y（NPY）/刺鼠相关蛋白（AgRP）神经元，最终整合到下丘脑中。

宿主的能量平衡可以通过细菌代谢产物和神经递质的产生来调节，甚至可以通过自身细菌代谢的能量收集来调节。近年来也有研究发现，细菌蛋白通过迷走神经刺激或免疫神经内分泌机制直接作用于大脑，在这一过程中起着重要作用。这些细菌蛋白之一，酪蛋白分解肽酶B蛋白同源物（ClpB），已被确定为α-黑素细胞刺激激素（α-MSH）的构象抗原。α-MSH是一种源自阿黑皮质原衍生肽（POMC）的氨基酸，可激活下丘脑室旁核中表达的黑素皮质素-4受体（MC4R），从而促进厌食形成途径，从而调节饱腹感，能量，血压和生长。研究发现经ClpB蛋白免疫的小鼠产生的抗ClpB IgG与α-黑素细胞刺激激素（α-MSH）交叉反应，影响食物摄入和体重。此外，该研究还报告了神经性厌食症，贪食症患者的血浆抗ClpB抗体水平升高。另一方面，有研究描述了常规营养供应如何稳定大肠杆菌的指数生长，在营养供应后20分钟达到稳定阶段，ClpB蛋白在大肠杆菌稳定期上调，血浆中ClpB与粪便中ClpB的DNA成正比，刺激下丘脑POMC神经元的放电速率。此外，施用益生菌Hafnia alvei（一种产生ClpB的细菌）减少了ob/ob肥胖症鼠和小鼠高脂饮食后的脂肪量和食物摄入。

目前几乎没有证据评估肥胖受试者的ClpB基因功能。目前的信息表明，在使用Meta-HIT数据库进行的sillico分析中，肥胖个体的ClpB基因丰度较低，并且体重指数与菌属，如Enterobacter, Klebsiella, Hafnia，呈负相关。因此，我们的主要目的是与对照组相比，评估肥胖患者肠道细菌ClpB基因功能，并评估微生物群组成和微生物衍生化合物在体重调节中的潜在作用。

研究结果：

肠道细菌ClpB基因功能与人类体重下降有关

研究了131名受试者，其中76名患有肥胖症，性别和年龄与健康对照（55名）匹配（表1）。通过宏基因组测序的KEGG功能注释评估了肠道细菌ClpB基因功能：K03695（子类别（sc）：衰老/蛋白质家族：遗传信息处理；途径（p）：长寿调节途径-多种物种[PATH：ko04213] /分子伴侣和折叠催化剂[BR：ko03110]；注释说明（ad）：ClpB ATP-依赖Clp蛋白酶ATP结合亚基ClpB；和注释（a）：K03695）。

表1人体标本的临床特征。

结果发现肥胖受试者的这项功能明显较低（图1a；表1）。 此外，ClpB样基因功能与体重指数（图1b），腰围（图1c）和总脂肪量（图1d）负相关。

图1肠道细菌ClpB基因功能与人类体重下降有关。a 箱式图显示了没有肥胖症和有肥胖症的受试者之间肠道细菌ClpB基因功能（K03695）的差异。 b散点图显示BMI与肠道细菌ClpB基因功能之间的关系。 c散点图显示腰围与肠道细菌ClpB基因功能之间的关系。 d散点图显示DEXA评估的总脂肪量和肠道细菌ClpB基因功能之间的关系。

 

由于饮食是细菌生态系统众所周知的改良剂，因此我们通过重点研究大量营养素和纤维，探索了哪些饮食成分与肠道细菌ClpB基因功能（K03695）有关。 粗略衡量，总能量摄入与ClpB基因功能呈负相关。调整总能量摄入和体重后，肠道细菌ClpB基因功能与蛋白质，碳水化合物，脂质和纤维摄入量直接相关。 不过，在多个线性回归模型中，以肠道细菌ClpB基因功能（K03695）为因变量，体重指数，性别，年龄，总能量摄入以及每种常量营养素或纤维为自变量，只有体重指数仍然与肠道细菌ClpB基因功能显著相关。

肠道细菌ClpB基因功能，微生物群组成和代谢产物

发现肠道细菌ClpB基因功能与粪便和血浆样品中的细菌代谢产物有关。值得注意的是，ClpB与血浆中的马尿酸和3-吲哚丙酸呈正相关，与粪便中的羽扇豆酚呈正相关，而与粪便中的胆酸呈负相关（图2a，b），并且常见的肠道菌群生态系统同时与这些代谢物和ClpB基因功能相关（图2c）。

图2肠道细菌ClpB基因功能和微生物代谢产物。a 肠道细菌类ClpB基因功能（K03695）与粪便代谢物之间的显著O-PLS相关系数（粪便中的数据先前使用PQN进行了归一化）。b肠道细菌ClpB基因功能（K03695）与血浆代谢物之间的显著O-PLS相关系数。c热图显示血浆和粪便中的重要代谢物与细菌科之间的Spearman相关系数和通过FDR调整的相关p值。

 

对ClpB基因功能贡献最大的细菌科有：厚壁菌门中的Clostridiaceae, Ruminococaceae, Lachnospiraceae, uncultured and not assigned Firmicutes, uncultured Clostridiales，以及拟杆菌科中的Prevotellaceae, Bacteroidaceae, Rikenellaceae（图3a）。有趣的是，虽然肥胖人群中未分配的Firmicutes（图3b），Rikenellaceae（图3c）和Clostridiaceae（图3d）的相对丰度（RA）较低，但这些细菌也与肠道细菌呈ClpB基因功能正相关。即使在调整了身体质量指数后，ClpB基因功能与一些细菌科（Clostridiaceae,Ruminococaceae, not assigned Firmicutes, un-cultured Firmicutes）之间的关联仍然很显著。

图3 肠道细菌ClpB基因功能和宏基因组学。a在每个样本中，科水平的细菌分类群对肠道细菌ClpB基因功能的贡献。b-d箱式图显示了肥胖和非肥胖受试者对肠道细菌ClpB基因功能贡献的前十大细菌科（相对丰度，RA）的差异。

 

以α-MSH分子模拟为重点，对ClpB样基因功能贡献最大的细菌科（图3a）在肥胖患者中也被检测到相对较低的丰度（图3b-d），例如not assigned Firmicutes，Rikenellaceae和Clostridiaceae分别有48,192和175个序列与大肠杆菌的α-MSH表位具有100％的同源性，同一性均值分别为82.13%, 92.25%, 81.36%。对ClpB样基因功能也有重要贡献的其它细菌科，如uncultured Clostridiales, Ruminococcaceae, Lachnospiraceae, uncultured Firmicutes, Prevotellaceae, uncultured Bacteria, Bacteroidaceae（图3a）有1068、766、855、265、262、149和431个序列与大肠杆菌中的α-MSH表位完全同源，同一性均值分别为89.04%、85.04%、88.28%、86.44%、95.78%、90.01%和93.64%。

小鼠肠道菌群移植

最后我们在33只小鼠中测试了肠道细菌ClpB基因功能，初始体重无显著差异（图3e）。抗生素治疗后，对11只小鼠进行了口服灌胃，对22只小鼠进行了粪便填充。随着时间的进行，小鼠中的ClpB基因功能与体重增加呈负相关的趋势（图3f），同时与实验结束时体重增加百分比呈负相关的趋势（图3g）。人类ClpB基因功能与小鼠ClpB基因功能无显著相关性。然而，在调整供体的体重指数后，对人类ClpB基因功能贡献较大的细菌科也与小鼠的ClpB基因功能相关，例如not assigned Firmicutes ,uncultured Firmicutes, Prevotellaceae, Rikenellaceae, Ruminococcaceae。此外，在人类中对肠道细菌ClpB功能贡献更大的两个细菌科，Clostridiaceae和 Prevotellaceae与小鼠体重增加呈负相关（图3h）。小鼠中Prevotellaceae的绝对丰度（AA）也与小鼠肠道细菌ClpB基因功能呈正相关（图3i）。使用DESeq2差异分析确定了Pretelltellaceae的种类，它们在随访的第7周与小鼠的体重呈负相关（图3j），并且与肠道细菌ClpB基因功能呈正相关（图3k）。

图3 肠道细菌ClpB基因功能和宏基因组学。e肠道菌群移植后的小鼠体重。对照组（小鼠，M；对照组，c）显示为黄色（n = 11）；从人类肠道菌群移植的老鼠（移植，t）以蓝色显示（n = 22）。f条形图，显示了小鼠体重的平均值和标准差。g散点图，显示了小鼠体重增加百分比与肠道细菌ClpB基因功能K03695（AU）之间的关系。h散点图，显示了小鼠体重增加百分比与人的Prevotellaceae 相对丰度之间的关系。i散点图显示了小鼠肠道细菌ClpB基因功能（K03695）与pretelltellaceae绝对丰度（AA）之间的关系。j散点图，显示了小鼠的最终体重（第7周）与人类Prevotellaceae baroniae绝对丰度（AA）之间的关系。K散点图显示了小鼠肠道细菌ClpB基因功能（K03695）与人类供体中Prevotellaceae baroniae绝对丰度（AA）之间的关系。