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读书报告

Seminar report

抗性淀粉通过重塑肠道微生物助力肥胖治疗

汇报人：周真江

1.研究背景

根据世界肥胖联盟的最新报告显示，2020年，全球高BMI（超重+肥胖）的成年人人数为22亿，占全球成年人人口的42%，到2035年，该占比预计将急剧上升至54%。因此，针对预防肥胖预防和体重控制进行了大量研究。肠道菌群近年来被认为是宿主生理和病理生理的重要调节器。具体而言，之前的研究报告了肠道菌群参与调控炎症、脂肪储存和葡萄糖代谢。将膳食干预与粪菌移植（FMT）结合可能导致受体微生物群的有利改变和临床结果的改善。因此，通过膳食干预合理调控肠道微生物群可能是一种有前途的抗肥胖策略。这篇文章通过三部分内容深入阐释了抗性淀如何助力减肥治疗：首先，开展了一项随机双盲、交叉设计干预研究，通过精准的临床指标评估抗性淀粉干预对肥胖的缓解作用，基于多组学研究全面分析肠道微生物和代谢物的改变，探索抗性淀粉改善肥胖的机制。然后，基于粪菌移植探究了RS诱导的肠道菌群改善肥胖的机制。最后，对其中发挥作用的关键菌种进行了因果验证。

图1 研究路线

2.研究内容

（1） RS干预有利于减肥

首先，开展了一项针对超重肥胖受试者的随机对照、交叉设计临床试验，37名受试者被随机分为两组，一组先接受8周的抗性淀粉（40g/天）干预，另一组先接受8周的等能量对照淀粉干预，经过4周的洗脱期后交换干预方式，再分别接受8周的对照淀粉与抗性淀粉干预，也就是一组8周抗性淀粉干预4周洗脱期8周对照淀粉干预，另一组相反。在整个试验期间，根据中国成人超重和肥胖预防控制指南和中国居民膳食指南为受试者定制平衡膳食，并在试验全程为受试者供应一日三餐，指导受试者填写饮食记录达到精准的营养控制。结果显示，8周抗性淀粉干预后超重肥胖受试者的体重（平均减轻2.8kg）、脂肪量和腰围显著减少，利用磁共振呈现将其可视化，如g图所示，黄色代表皮下脂肪面积，红色代表内脏脂肪面积，左边为干预前，右边为干预后，肉眼可见受试者腹部肥胖减少了。另外，葡萄糖输注率显著增加，表明胰岛素显著改善。为了研究RS促进体重减轻的潜在机制，进一步明确了与肥胖密切相关的慢性低度炎症反应和肠道脂质消化的变化，促炎因子（血清肿瘤坏死因子、白细胞介素）显著降低、粪便脂质显著增加，与脂质代谢相关的ANGPTL4显著增加，与肥胖相关的成纤维细胞生长因子显著降低。这些结果表明，RS干预能够减少腹部肥胖，改善胰岛素敏感性，相关潜在机制为炎症反应和膳食脂质吸收减少。

图2 体重超标个体8周RS干预后肥胖减轻

（2）RS干预重塑肠道菌群及其代谢物

为了研究RS干预期间肠道微菌群变化，进行了宏基因组测序。结果显示，RS干预后，重塑了肠道菌群组成，青春双歧杆菌、长双歧杆菌和溴瘤胃球菌3种菌的数量显著增加，CS干预后保持稳定或减少。另外，在12种丰度差异较大的物种中，青春双歧杆菌与各种表型相关的频率最高，其与BMI和ANGPTL4呈正相关，与内脏脂肪面积、腰围呈负相关，是抗性淀粉改善超重肥胖的关键菌。肠道群落变化如何为宿主带来益处不详，但是通过改变代谢产物来促进健康是一种可能机制，由于胆汁酸是连接肠道微生物群与宿主的重要信号代谢物，对胆汁酸谱进行了定量分析。结果显示，二级胆汁酸（糖脱氧胆酸）是RS和CS干预之间唯一具有统计学显著差异的胆汁酸。通过相关性分析，发现糖脱氧胆酸和牛磺脱氧胆酸与代谢表型的相关性最强，其与肥胖相关表型负相关，而与胰岛素敏感性和ANGPTL4正相关。糖脱氧胆酸和牛磺脱氧胆酸在RS干预后的变化与包括青春双歧杆菌在内四种菌种显著正相关，通过KEGG分析发现RS影响的肠道微生物群增加了二级胆汁酸的产生，这可能导致肥胖和胰岛素抵抗的缓解。另外，粪便中异丁酸和戊酸的水平在RS干预后显着降低。这些结果表明，青春双歧杆菌是RS干预促进机体肥胖的关键肠道微生物，通过增加次级胆汁酸的产生导致肥胖和胰岛素抵抗的缓解。

图3 肠道微生物组对RS治疗的反应与宿主表型的关系

图4 胆汁酸介导肠道微生物组和宿主表型之间的

相互作用

（3）重塑肠道菌群恢复肠道屏障并减少脂质吸收

然后，展开了粪菌移植研究，将8周RS或CS干预后来自人供体的粪便样品（每次干预n=4）移植到抗生素处理的小鼠中，研究RS相关的肠道菌群触发宿主腹部肥胖和葡萄糖代谢改善的潜力。结果显示，相对于接受对照淀粉干预粪菌移植的小鼠，接受抗性淀粉干预粪菌移植小鼠的体重、脂肪量和脂肪库质量显著降低。与临床实验结果一致，接受抗性淀粉干预粪菌移植小鼠血液中的炎症标志物（MCP-1、IL-1β和IL-6）水平显著，抗炎因子（IL-10）的水平也增加了。在肠系膜脂肪组织中，接受抗性淀粉干预粪菌移植小鼠MCP-1、IL-1β和IL-6的表达显著降低，而IL-10表达则显著增加。这些结果表明，RS诱导的肠道菌群能够缓解全身炎症。代谢性内毒素血症，可能是由于脂多糖（LPS）从肠道到血清的渗透增加所致，是肥胖诱导的慢性炎症的关键因素。为了研究RS改变的肠道菌群如何与代谢性内毒素血症相互作用，进一步研究了在接受RS和CS干预后由人类供体微生物群定植的小鼠的体内肠道通透性。肠道屏障的恢复导致肠系膜脂肪组织和血清中的脂多糖水平显著降低。这些结果表明，改变的微生物群的一个有益效果是通过保护肠道屏障来阻止LPS的渗透。结果显示，接受抗性淀粉干预粪菌移植小鼠的肠道通透性显著降低，调节肠道通透性的两种主要肠道紧密连接蛋白（ZO-1和Occlidin）基因表达显著增加。这些结果表明，RS诱导的肠道菌群的一个有益效果是通过保护肠道屏障来阻止脂多糖的渗透。前面的临床试验显示参与者在接受RS后血液中的ANGPTL4和粪便脂质水平显著增加。为了调查ANGPTL4的增加是否受RS微生物群的调节，进一步研究了粪菌移植小鼠回肠中ANGPTL4的表达水平。结果显示，接受抗性淀粉干预粪菌移植小鼠回肠ANGPTL4表达显著增加。ANGPTL4是脂蛋白脂肪酶的内源性抑制剂，也是作为主要肠道脂肪酶的胰脂肪酶。接受抗性淀粉干预粪菌移植小鼠肠道脂肪酶活性显著降低。与之一致，回肠中甘油三酯水平显著降低而粪便中甘油三酯水平显著增加。这些结果表明，RS诱导的肠道菌群能够通过调节肠道ANGPTL4来减少脂质吸收。

图5 RS影响的肠道微生物群导致肥胖

图6 RS影响的肠道微生物群恢复肠道屏障

并减少脂质吸收

（4）B. adolescentis促进减肥

最后，进一步研究了青春双歧杆菌与宿主肥胖之间的潜在因果关联。小鼠被随机分为三组，饮用添加了活的B.adolescentis、灭活的B.adolescentis和生理盐水的无菌水，持续5周。结果显示，饮用含有活的B.adolescentis的饮用水显著降低小鼠的体重和脂肪库质量，并提高了回肠和血清ANGPTL4的表达和分泌，肠腔肪酶活性显著降低，相应地，这些小鼠的回肠甘油三酯水平降低，粪便甘油三酯水平升高，与之前的研究结果一致。这些结果表明，B.adolescentis是RS诱导的关键菌，可能通过影响肠道ANGPTL4来保护小鼠免受饮食引起的肥胖。为了探索RS的效果是否依赖于肠道微生物群，在无菌小鼠中进行了RS和CS干预的同时这些小鼠接受了PBS或活的B.adolescentis处理。结果显示，RS和CS干预的无菌小鼠在体重、葡萄糖耐量和胰岛素敏感性方面没有显著差异，而RS与B.adolescentis一起喂养无菌小鼠与没有B.adolescentis喂养的小鼠相比，去皮体重和脂肪质量显著减少，以及葡萄糖耐量和胰岛素敏感性得到改善。B.adolescentis降低了肠道通透性，并在无菌小鼠中增加了肠道ANGPTL4的产生。另外，接受B.adolescentis处理的无菌小鼠显示出腔道脂肪酶活性和回肠甘油三酯水平降低，以及粪便甘油三酯水平增加。这些结果表明，肠道菌群在RS防止饮食引起的肥胖作用中是必不可少的。RS通过B.adolescentis至少部分地促进了减重，通过恢复肠道屏障减少炎症和调节肠道中的ANGPTL4产生，从而阻碍脂质吸收。

图7 B.adolescentis预防饮食引起的肥胖并影响肠道和血清ANGPTL4

图8 RS对携带和不携带B.adolescentis的无菌小鼠的影响

3.研究结论

本项研究首次通过随机双盲对照临床试验证明膳食中补充抗性淀粉可能成为治疗肥胖的新策略，并揭示其作用通过改变肠道菌群组成和功能实现，定位到关键功能菌（青春双歧杆菌）被抗性淀粉促进而恢复肠道屏障并调节肠道中ANGPTL4的产生来减少炎症，从而阻碍脂质吸收。

参考文献：Li, H. T., et al., Resistant starch intake facilitates weight loss in humans by reshaping the gut microbiota, Nature metabolism, 2024, 6, 578-597.

Bile acids-mediated intracellular cholesterol transport promotes intestinal cholesterol absorption and NPC1L1 recycling

胆汁酸介导的细胞内胆固醇转运

促进肠道胆固醇吸收和NPC1L1循环

期刊：Nature Communication, IF=17.694

汇报人：赵添

1.研究背景

胆固醇是一种重要的脂质，可以调节膜特性并修饰蛋白质，包括Hedgehog和Smoothened。高胆固醇水平是心血管疾病(CVD)和非酒精性脂肪性肝病的关键危险因素。胆固醇可通过从头生物合成和膳食吸收获得。较高的膳食胆固醇摄入量与cvd的高风险显著相关。NPC1L1是一种13-跨膜蛋白，与肠道胆固醇吸收密切相关，之前的研究表明，NPC1L1通过囊泡内吞作用摄取膳食胆固醇。胆固醇与NPC1L1的氨基端结合诱导羧基端与质膜(PM)分离，暴露出内吞基体Y1306VNxxF以供NUMB识别。NUMB招募AP2/网格蛋白生成网格蛋白包被的囊泡并启动NPC1L1内吞作用。同时，NPC1L1与flotilin -1/-2相互作用形成富胆固醇膜微。通过这种囊泡运输方式，NPC1L1将大量胆固醇运输到内吞循环室(ERC)， ERC是一种富含胆固醇的rab11阳性内体，被认为是细胞内胆固醇池。当ERC中的胆固醇水平下降时，NPC1L1通过其Q1277KR残基与LIM结构域和肌动蛋白结合1 (LIMA1)相互作用，并由LIMA1和相关的肌球蛋白Vb16再循环到PM。LIMA1突变导致细胞内NPC1L1滞留，降低肠道胆固醇吸收。依折替贝通过与NPC1L1结合并抑制其内化来阻断胆固醇的吸收。ERC中的胆固醇被运输到内质网(ER)，在那里酰基辅酶a:胆固醇酰基转移酶2 (ACAT2)将胆固醇转化为胆固醇酯(CEs)，然后将其结合到乳糜微粒中并分泌到淋巴中。目前尚不清楚NPC1L1摄取的ERC胆固醇如何转运到内质网。

在这里，我们发现四种特定的二酸(BA)—鹅去氧胆酸(CDCA)、去氧胆酸(DCA)、牛磺酸去氧胆酸(TDCA)和糖去氧胆酸(GDCA)—可以将ERC胆固醇以亚胶束浓度(0.1mM-1mM)转运到内质膜和PM。NPC1L1阳性囊泡中胆固醇的减少使Q1277KR暴露于LIMA1，这一事件通过胆固醇调节的NPC1L1 A1272LAL残基与囊泡膜的结合而被阻止，并诱导NPC1L1易位到PM。通过降低ERC胆固醇，BAs有利于npc1l1循环回到细胞表面，增加胆固醇吸收。

2.研究方法

（1）Npc1l1-Y1306VNxxF→AAAxxA敲入小鼠由C57BL/6JGpt通过CRISPR-Cas9系生成。NPC1L1-EGFP敲入C57BL/6N雄性小鼠进行体外肠道培养实验，12周龄敲入雄性小鼠进行胆管插管实验。以Npc1l1-Y1306VNxxF→AAAxxA杂交的杂合子为野生型对照。

（2）体外肠培养。取小鼠小肠段切成约1厘米的段，然后将肠段包埋I型胶原凝胶溶中，置于细胞培养插入物(Millicell, PIHP03050)中，预先覆盖的I型胶原凝胶溶液。孵育于培养皿中，37℃、5% CO2培养肠段。加入lp，胆固醇的养基，不论是否添加胆汁酸或BA混合物。孵育后收集肠段固定过夜，然后包埋在Tissue- Tek OCT中。

（3）总胆固醇和胆固醇酯的测定

将细胞内的胆固醇利用萃取法提取，用Amplex红胆固醇测定试剂盒测定胆固醇和胆固醇酯。分别测定总胆固醇和游离胆固醇，胆固醇酯通过总胆固醇和游离胆固醇计算出来的。

（4）胆固醇吸收测定：利用灌胃3H胆固醇及未标记的胆固醇，及双同位素测定法14C胆固醇3H谷甾醇同位素示踪表征胆固醇吸收率，胆固醇吸收率%=（14C/3H给药剂量-14C/3H排出剂量）/14C/3H给药剂量×100

3.研究结果

（1）NPC1L1内吞作用对胆固醇吸收的重要性

（2）BAs促进NPC1L1转移到质膜（PM）

小分子而非蛋白可降低ERC胆固醇并诱导NPC1L1的PM定位。

推测BAs导致rab11阳性ERC中的胆固醇消耗，然后NPC1L1从ERC转运到PM。

（3） 胆固醇从ERC转移到ER和PM

BAs将胆固醇带出ERC，并通过溶解胆固醇将胆固醇输送到内质网。

BAs将胆固醇带出ERC，并通过溶解胆固醇将胆固醇输送到ER。

（4）BAs在细胞内起作用

BAs被转运到细胞中，动员ERC 胆固醇，然后诱导NPC1L1易位。

ASBT通过介导BAs进入肠细胞，影响回肠中的胆固醇吸收和NPC1L1循环。

胆汁酸可通过被动扩散或根尖钠依赖性胆汁酸转运体(ASBT)进入肠细胞，在空肠和回肠阶段胆固醇吸收作用不明确，给小鼠口服抑制剂，处理组灌胃使胆固醇吸收比对照组减少了约43%。免疫组织化学染色显示，（利奈昔巴）处理小鼠的回肠刷边界下存在NPC1L1和胆固醇的隔离。综上ASBT通过介导BAs进入肠细胞，对回肠中的胆固醇吸收和NPC1L1循环很重要。

（5）NPC1L1-LIMA1相互作用是NPC1L1运输所必需的而非胆固醇输出

ERC中的胆固醇降低是NPC1L1运输的上游。

（6）ERC胆固醇的消耗将LIMA1招募到ERC定位的NPC1L1

BAs触发NPC1L1的PM定位的机制。短期治疗BA混合物、CDX或四种BA可以将胆固醇急剧转运出ERC，并将细胞内的LIMA1招募到ERC，而NPC1L1仍留在ERC中。前面提到GDCA和TDCA是通过NTCP导入细胞的，因此在NTCP沉默的细胞中，它们无法诱导LIMA1重新定位到ERC。共免疫沉淀结果显示，GDCA、TDCA、BA混合物或CDX在很大程度上增强了NPC1L1与LIMA1之间的相互作用。

（7）NPC1L1以胆固醇依赖的方式与膜相关

BAs带走了ERC胆固醇，并导致NPC1L1中的A1272LAL残基与ERC膜分离，这进一步使Q1277KR与LIMA1结合，然后NPC1L1被转运到PM。

3.研究结论

当胆汁酸降低ERC中的胆固醇水平时，之前通过ALAL残基与富含胆固醇的膜相互作用的NPC1L1羧基端从膜上解离，这进一步使QKR与LIMA1结合。然后NPC1L1被转运到质膜。

参考文献：

1) Wang JQ, Li LL, Hu A, Deng G, Wei J, Li YF, Liu YB, Lu XY, Qiu ZP, Shi XJ, Zhao X, Luo J and Song BL*. Inhibition of ASGR1 decreases lipid levels by promoting cholesterol excretion. Nature, 608(7922):413-420, 2022

2) Lu XY#, Shi XJ#, Hu A#, Wang JQ#, Ding Y, Jiang W, Sun M, Zhao X, Luo J, Qi W and Song BL*. Feeding induces cholesterol biosynthesis via the mTORC1–USP20–HMGCR axis. Nature, 588(7838):479-484, 2020

3) Zhang YY#, Fu ZY#, Wei J#, Qi W, Baituola G, Luo J, Meng YJ, Guo SY, Yin H, Jiang SY, Li YF, Miao HH, Liu Y, Wang Y, Li BL, Ma YT* and Song BL*. A LIMA1 variant promotes low plasma LDL cholesterol and decreases intestinal cholesterol absorption. Science, 360(6393):1087-1092, 2018

4) Chu BB#, Liao YC#, Qi W, Xie C, Du X, Wang J, Yang H, Miao HH, Li BL and Song BL*. Cholesterol transport through lysosome-peroxisome membrane contacts. Cell, 161(2):291-306, 2015

5) Luo J, Yang H and Song BL*. Mechanisms and regulation of cholesterol homeostasis. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 21(4):225-245, 2020

6) Gong XM#, Li YF#, Luo J#, Wang JQ#, Wei J#, Wang JQ, Xiao T, Xie C, Hong J, Ning G, Shi XJ, Li BL, Qi W* and Song BL*. Gpnmb secreted from liver promotes lipogenesis in white adipose tissue and aggravates obesity and insulin resistance. Nature Metabolism, 1(5):570-583, 2019