研究成果以“Microbial?ecosystem?and?ecological?driving?forces?in?the?deepest?ocean?sediments”為題發(fā)表在《Cell》雜志上。百邁客生物為該研究提供了測序服務。
Microbial ecosystem and ecological driving forces in the deepest ocean sediments
研究背景
深淵區(qū)（水深超6,000米，或根據聯合國教科文組織定義為水深超過6500米）占海洋垂直深度的45%，以極端高壓（110兆帕）、低溫（接近冰點）、黑暗及有機質稀缺為特征。盡管環(huán)境嚴酷，這里卻孕育了獨特的生物群落，如凝膠狀魚類、端足類甲殼動物及依賴化能合成的微生物。這些生物通過基因和代謝途徑的適應性進化，成為研究生命極限的范本。
從1960年起，人類對深淵的探索歷程一直伴隨著巨大的代價和犧牲，也為現代深淵研究奠定了基礎。直至中國“奮斗者號”全海深載人潛水器的出現（2020年創(chuàng)下10,909米下潛紀錄），深淵科考進入新階段。其220公斤有效載荷、高速水聲通信系統及高國產化率，顯著提升了采樣精度與效率。
研究內容及結果
構建海洋最深生態(tài)系統圖景
上海交通大學肖湘團隊，作為全球深海高壓微生物領域極少數至今在研的科學團隊，與中國科學院深海科學與工程研究所等國內多家科研單位共同參加了“奮斗者”號載人潛水器TS21航次，探索了馬里亞納海溝、雅浦海溝和菲律賓海盆6000-11000米水深區(qū)域，其中雅浦海溝最深點為人類首次探索，采集了包括水體、沉積物、宏生物、巖石等千余份樣本。
通過對采集的1，648份沉積物樣本進行宏基因組測序，研究人員鑒定7,564個原核微生物物種，其中89.4%為未報道的新物種，這說明深淵微生物具有超乎想象的物種新穎性，盡管深淵調查區(qū)域的面積不足全球海洋的億分之一，其物種多樣性與已知的全球海洋微生物多樣性相當，說明在最深海域超高壓下微生物異常繁榮。
為解釋深淵微生物的異常繁榮，肖湘團隊構建了一種新的基于宏基因組的生態(tài)分析流程，將環(huán)境生態(tài)驅動過程與微生物基因組特征和代謝偏好結合起來，發(fā)現深淵微生物通過“精簡型”和“多能型”兩種截然不同的深淵環(huán)境適應策略，支撐了高新穎性的微生物生態(tài)系統。
圖1.深淵微生物的超高新穎性和多樣性及其生態(tài)成因
構建全球深淵微生物數據庫
“溟淵計劃”構建的全球深淵微生物數據庫，總數據量與過去十年海洋微生物積累的總數據量相當，研究發(fā)現的深淵微生物出人意料的超高新穎性和多樣性，展現了深淵生命的新資源潛能，可能幫助人類解決當前面臨的常規(guī)環(huán)境生物資源枯竭的困境。
“溟淵計劃”微生物數據集將依托國產數據庫向全球開放共享，呼吁國內外研究學者協力攻堅深淵環(huán)境與生命的重大科學問題，拓展人類對深部生命的認知邊界。
圖2.全球深淵微生物數據庫
該研究專題報道了深淵研究的重大進展，樣本分析顯示出較高的分類新穎性，為我們呈現了一個海洋深處極度繁榮的生態(tài)系統。重點研究了深淵生態(tài)系統，包括深淵微生物、深淵無脊椎動物（鉤蝦）和深淵脊椎動物（魚類）的特征與環(huán)境適應，從而描繪了深淵特殊的食物鏈：從微生物到鉤蝦再到魚類。發(fā)現了深淵存在跨越物種邊界的深淵環(huán)境“共適應”策略。
以上內容來源于上海交通大學生命科學技術學院，侵刪
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發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials IF：14.224
發(fā)表時間：2022.09.16
研究背景
環(huán)境中細菌的抗生素耐藥性由于與臨床病原體的抗生素耐藥性密切相關而受到越來越多的關注。自從人類在臨床上使用抗生素以來，環(huán)境中的抗生素耐藥基因(ARGs)亦有所增加。然而，這種增加是否直接來源于環(huán)境殘留抗生素的選擇性壓力還是來源于人類大量排放的糞便污染卻不得而知。在該項研究中，調查了人類糞便以及受人類糞便污染影響的不同污水處理廠受納水環(huán)境中的 ARGs、crAssphage 和抗生素殘留特征，以期了解抗生素的選擇壓力和人類糞便污染對受納水體ARGs污染的影響。
技術路線
主要結果
1.人類糞便和水環(huán)境中 ARGs 的污染特征
運用高通量qPCR方法從采集的樣本中檢測到89個ARGs和5個MGEs。在所有檢的基因中，只有超廣譜β-內酰胺酶編碼基因blaTEM在所有樣本中都被檢測到。在>80%的樣品中檢測到strB、ermF、aadA1等ARGs(圖1A)。在所有采集的人糞便中檢測到28種ARGs，包括tetW、 cfxA、 tetO-01、tet(32)、blaTEM-1等，而在所有水樣中僅檢測到strB和blaTEM-1(圖2)。此外，比較了不同的環(huán)境，發(fā)現在人類糞便和水中檢測到38個ARGs(圖3S1B)?？傮w而言，人糞便的ARG相對豐度顯著高于所有水樣。
圖1.不同樣品間ARG豐度和多樣性的比較。(A)ARG相對豐度熱圖。深藍(ND)表示結果低于檢測限；(B)ARG的總相對豐度；(C)ARG的香農多樣性指數；(D)不同樣品中ARG組成的主坐標分析(PCoA)。
ARG多樣性也隨著水從污水處理廠向自來水的輸送而減少(1C)。所有樣本的ARG譜的PCoA表明，不同類型的樣本包含顯著不同的ARG成分。從環(huán)境樣品中分離出人類糞便中的ARGs(圖1D)，表明腸道具有獨特的ARG圖譜。這可能是因為與環(huán)境相比，腸道的條件不同。來自污水處理廠和受納河水的樣品聚在一起較近，證實了污水處理廠出水的排放對受納河中的ARGs有很大影響。同樣，湖泊和自來水更傾向于聚集在一起，與所研究的湖泊都是自來水水源一致。上述結果表明，在所研究的樣品中普遍存在ARGs，污水處理廠攜帶的ARGs可能污染不同的受納水體。
2.人類糞便污染對水環(huán)境中 ARGs 的貢獻
借助人類糞便指示劑 crAssphage (CPQ_056)，分析了人類糞便排放對當地水環(huán)境中ARGs的影響。結果表明，crAssphage在所有環(huán)境樣品中的檢測頻率為 68.2%，相對豐度范圍為2.68×10-6至1.96×10-2每個16S rRNA基因拷貝（圖2），表明超過一半的水樣（湖水、自來水、污水處理廠和受納河水）被人類糞便污染。與 ARGs 一致，平均crAssphage 豐度也沿著水流從污水處理廠不同處理單元的污水到受納河水再到湖泊水體的順序逐漸減少（圖2）。這再次證明了人類糞便污染從污水處理廠的排放源到接收環(huán)境有著隨距離不斷衰減的效應。
進一步的統計分析探討糞便污染對不同水體中 ARGs 的影響。Spearman相關性分析表明，總ARG相對豐度與crAssphage的豐度呈正相關（圖3A）。進一步分析表明，crAssphage 豐度同樣與某些 ARG 的豐度顯著相關，例如氨基糖苷類、FCA、MLSB、其他/外排、四環(huán)素和磺胺抗性基因（圖3B-F，表S5）。14 種ARG亞型和ermF與 crAssphage 顯著相關。更重要的是，這些 ARGs 亞型也同時在人類和水環(huán)境中檢出，表明它們可能源自人類糞便并被輸送到受納水體。
此外，人類糞便樣本中ARGs豐度與 crAssphage豐度之間沒有相關性，證實了腸道里 ARGs 豐度與crAssphage 豐度無關。這對 crAssphage作為人類糞便污染的指示基因至關重要。因此，上述環(huán)境樣本中ARGs 與 crAssphage 豐度之間的顯著正相關表明供試受納水體中 ARGs 的富集在很大程度上可歸因于人類糞便污染。
除了crAssphage 之外，研究者通過構建系統發(fā)育樹分析了來自所有樣品的氨芐青霉素抗性菌株中的 blaTEM-1基因序列（圖4）。結果表明，來自四種環(huán)境樣品（湖水、自來水、污水處理廠和受納河水）的blaTEM-1與腸道樣品的進化關系密切（圖4）。該結果表明blaTEM-1可能通過污水排放在人類糞便和受納水體之間進行傳播。然而，需要進一步的研究來驗證這些發(fā)現。
圖2.不同類型樣品中crAssphage的分布
圖3.按目標抗生素分類的ARGs總豐度與水樣中crAssphage豐度之間的相關性
圖4.從不同樣本分離的菌株中blaTEM-1基因的進化分析。樣本根據類型進行著色。
3.水環(huán)境中的 ARGs 豐度與抗生素殘留無關
研究者進一步測量了抗生素殘留，結果表明，在所有五組中均檢測到四環(huán)素類、喹諾酮類和硝基呋喃類抗生素。污水處理廠樣品中17種抗生素的檢出頻率高于其他組，占 41.2%~64.7%。同時，在水環(huán)境中，污水處理廠的抗生素總濃度也高（289.5±236.7 ng/L），其次是受納河水（169.8±104.9 ng/L）。自來水在所有樣品中的抗生素殘留濃度低 (54.7 ± 51.0 ng/L)（表1）。人類糞便中的總抗生素濃度為 17.7±9.2 ng/g。由于糞便提供者在過去六個月內都沒有用藥史，因此在人類糞便中檢測到的抗生素可能來自飲用水或食物。此外，在所研究的人類糞便中檢測到某些合成獸用抗生素，如磺胺氯噠嗪和恩諾沙星，也支持了這一結論。對水生環(huán)境中殘留的抗生素和 ARGs 進行了相關性分析。與 crAssphage 不同，抗生素濃度與 ARG 豐度之間沒有相關性。這一結果表明抗生素的選擇并不能主要解釋供試水環(huán)境中 ARGs 的豐度。綜上所述，ARGs 和抗生素之間沒有相關性，但卻顯著相關于crAssphage豐度，表明供試受納水體中 ARGs 的豐度在很大程度上可以用人類糞便污染的程度來解釋，本研究并沒有觀察到明顯的抗生素選擇ARGs現象。
表1.不同樣品類型中的抗生素濃度(ND：低于檢測限值)。
4.細菌群落特征及其與ARGs的相關性
在人類糞便中，厚壁菌門、擬桿菌門、變形桿菌門和放線菌門是優(yōu)勢門(圖5A)。厚壁菌和擬桿菌占腸道菌群總數的(83.5±9.8)%，環(huán)境樣品中以變形桿菌和擬桿菌為主，變形桿菌所占比例高。在屬的水平上，人類的腸道Bacteroides，Faecalibacterium，Bifidobacterium， 和Subdoligranulum.Pseudomonas，而水環(huán)境中的優(yōu)勢屬為Flavobacterium，Arcobacter和Massilia(圖5B)。
細菌群落多樣性分析表明，除自來水外，其他水環(huán)境樣品的平均Shannon指數均高于人類糞便樣品(圖5C)。PCoA分析表明，人類糞便和環(huán)境樣本之間的細菌群落組成有顯著差異(圖5D)。然而，在人類糞便和水環(huán)境中存在著167個OTUS屬121個常見細菌屬，此外，還發(fā)現ARGs與所有樣品中的細菌群落顯著相關(圖3A)，這表明細菌群落組成決定了ARG組成，這一現象在各種環(huán)境中都被廣泛觀察到。
圖5.不同樣品中細菌群落的比較。(A)top10優(yōu)勢菌門的相對豐度；(B)top10優(yōu)勢菌屬的相對豐度；(C)OTUs的Shannon指數；(D)OTUs的主坐標分析(PCoA)。
在該研究中，84個ARGs、5個MGES和20個細菌門被用來進行網絡分析(圖6B)。Chlamydiae和Dependentiae 與11種不同的ARG顯著相關，表明它們的基因組中可能含有多種ARG類型。四環(huán)素耐藥基因、大環(huán)內酯類耐藥基因ermB和氨基糖苷類耐藥基因aacA/aphD是四環(huán)素耐藥基因的潛在宿主。Elusimmicrobia可能是aadE、blaCTX-M-02、Olec和vanRA-01的宿主。Synergistetes 可能是tetW、IS613和catA1的潛在宿主。由于該網絡是建立在相關性的基礎上，觀察到的ARGs潛在細菌宿主仍需進一步的試驗驗證。
圖6.不同樣品中細菌群落與ARGs的相關性。(1)ARGs和細菌群落的Procrstes分析(2)細菌門和ARGs之間的網絡分析
總結
這項研究主要表明，人類排泄物對受污水處理廠影響的受納水體中的ARGs有顯著的影響。ARG和crAssphage豐度都表現出從排放源到受納水體的距離衰減效應。人類糞便中的blaTEM-1基因與水環(huán)境中的blaTEM-1基因具有密切的進化關系。在被人類糞便污染的環(huán)境中，糞便污染可能是ARG污染的主要來源。抗生素殘留濃度與ARGs豐度之間無顯著的相關性，表明環(huán)境殘留抗生素選擇產生ARGs的現象并不明顯。該研究促進了公眾對人類影響環(huán)境中人類糞便污染對抗生素耐藥性的影響的理解。
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參考文獻
Chen Z， Duan Y， Yin L， et al. Unraveling the influence of human fecal pollution on antibiotic resistance gene levels in different receiving water bodies using crAssphage indicator gene[J]. Journal of Hazardous Materials， 2023， 442: 130005.
研究背景
非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)已成為全世界關注的主要健康問題;它是一種主要的隱性疾病，會增加罹患多種慢性疾病的風險，如2型糖尿病和心血管疾病。NAFLD患者有發(fā)展為脂肪肝、肝硬化甚至肝細胞癌的風險。然而，NAFLD的誘導和進展的病理機制復雜，目前還沒有明確的靶向藥物。改變生活方式和改變飲食是目前緩解NAFLD的主要策略。因此，確定NAFLD的新靶點和治療方法仍然是一個挑戰(zhàn)。
NAFLD是由肝細胞內脂肪過度堆積引起的，新生脂肪生成是脂肪儲存的重要途徑。肝臟脂肪生成主要由固醇調控元件結合蛋白1 (Srebp1)調控，Srebp1增強脂肪生成基因的后續(xù)激活，包括脂肪酸合成酶(Fas)、乙酰輔酶a羧化酶(Acc)和硬脂酰輔酶a去飽和酶1 (Scd1)，導致肝臟脂質積累。此外，NAFLD的發(fā)病和進展是眾所周知的與炎癥有關。腸道衍生毒素，如脂多糖(LPS)，被認為在肝臟炎癥中具有致病作用，并與NAFLD密切相關。一方面，有報道稱LPS可促進Srebpl激活和肝臟脂質積聚。相反，LPS通過激活肝臟toll樣受體4 (TLR4)/核因子-κB (NF-kB)信號通路觸發(fā)炎癥反應。
近年來，腸道菌群與NAFLD的關系引起了廣泛關注。腸道微生物群產生促炎LPS并進一步影響肝臟脂質代謝，已成為NAFLD發(fā)展的重要參與者。研究表明，高脂肪飲食(HFD)喂養(yǎng)的無菌小鼠肝臟中的脂質水平低于傳統飼養(yǎng)的小鼠。此外，將從高脂飲食誘導的肥胖供體中分離出的腸道微生物移植到無菌動物中，會導致受體小鼠體重顯著增加和代謝綜合征。因此，腸道菌群的穩(wěn)態(tài)對維持健康至關重要，確定腸道菌群的組成對于研究NAFLD與失調之間的致病關系和潛在致病聯系是必要的。
咖啡酸(CA)，也被稱為3,4 -二羥基肉桂酸，是最常見的酚酸之一，存在于大多數植物中，包括咖啡、水果和丹參。CA在人類飲食中廣泛使用。越來越多的證據證實CA具有多種生物功能，包括抗氧化和抗炎活性。與此同時,據報道,CA減少alcohol-fed老鼠的肝臟脂質含量,抑制油的段脂肪生成人類HepG2細胞,和改善小鼠的肝脂肪變性和內質網應激通過增加自噬。然而，CA作用于脂質積累的機制尚不清楚。枸杞葉提取物含有多種酚酸，包括CA，有研究表明，枸杞葉提取物可以通過調節(jié)代謝譜和腸道菌群組成來改善大鼠2型糖尿病。然而，目前尚無關于CA對NAFLD腸道菌群影響的研究報道。本研究旨在探討CA對NAFLD的降脂作用及其機制，尤其關注其對腸道菌群的影響。
英文名稱: Caffeic acid prevents non-alcoholic fatty liver disease induced by a high-fat
diet through gut microbiota modulation in mice
中文名稱:?咖啡酸通過調節(jié)小鼠腸道菌群預防由高脂肪飲食引起的非酒精性脂肪肝
雜??志：Food Research International
影響因子：5.0
材料方法
1、實驗材料：
2、研究方法：
在ND適應1周后，將小鼠隨機分為2組:ND組(n = 30)和HFD組(n = 30)，治療8周。
研究結果
1.補充CA可降低高脂喂養(yǎng)小鼠的脂質積累
圖1
2.CA的補充影響hfd喂養(yǎng)小鼠的生化標記物
? ? ?圖2
?圖 3
圖4
5.補充CA可減少高脂飼料喂養(yǎng)小鼠的腸道菌群失調
圖5
圖6
7.結論
成功案例：謝黎煒團隊利用機器學習算法在腸道菌群研究中取得新突破【成功案例】多組學研究套路之：微生物多樣性16S測序+宿主轉錄組測序
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【16S V4 16S全長微生物多樣性測序】-完整的腸道微生物群可以保護遺傳易感小鼠免受白血病的侵襲
非小細胞肺癌患者腸道微生物多樣性預示ICI療效
腸道微生物菌群多樣性警示孕婦食用人造甜味劑的風險！
英文標題：Extract of the Microalga Nitzschia laevis Prevents High‐Fat‐Diet Induced Obesity in Mice by Modulating the Composition of Gut Microbiota
中文標題：菱形藻（Nitzschia laevis）通過調節(jié)腸道菌群來緩解高脂膳食引起的肥胖
發(fā)表時間：2018.12
期刊名稱：Molecular nutrition & food research
影響因子：5.15
合作單位：北京大學?食品與生物資源工程研究所
研究背景
隨著人類生活水平的提高，肥胖和超重人口越來越多，而人工合成藥物（如褪黑素）的肥胖治療往往會產生負面效應，因此，從自然界中提取成分“溫和”的生物合成藥物已經被人們廣泛關注，近年來，以微藻為代表的海洋生物已成為研究的熱點。研究表明，藻類中提取的輔助色素巖藻黃素能夠通過抑制解偶聯蛋白1（UCP1）調節(jié)脂肪組織的脂質代謝，巖藻黃素是一種四十二碳葉黃素，目前已被開發(fā)作為有效的減肥藥。菱形藻（Nitzschia laevis）是一種富含巖藻黃素的硅藻，也是多酚和多不飽和脂肪酸（PUFAs）的主要來源，多酚和PUFAs能夠調節(jié)腸道微生物的菌群結構和活性。研究發(fā)現，肥胖患者和正常人群的腸道微生物存在差異，因此推測，菱形藻中的提取物能夠通過調節(jié)腸道微生物實現控制和治療肥胖的效果。
材料方法
2. 試驗對象：10周齡C57BL/6J小鼠。
3.?分組方式：①正常膳食組（NCD）、②高脂膳食組（HFD）、③高脂+低藻（10 mg/kg/d）膳食組（HFD-LE）、④高脂+高藻（50 mg/kg/d）膳食組（HFD-HE）。
4. 組織學分析（H&E）：肩胛間的棕色脂肪組織（BAT）、白色脂肪組織（WAT）、附睪脂肪組織（epi-WAT）、腸系膜脂肪、腹溝股脂肪和腹膜后脂肪。
5. 生化分析：提取血清樣本，檢測總膽固醇（CHO）、總三酰甘油（TG）、低密度脂蛋白（LDL）和高密度脂蛋白（HDL）。
6. 蛋白印記分析（WB）:緊密連接蛋白（ZO-1）、閉合蛋白。
7. 實時熒光定量PCR（RT-PCR）：緊密連接蛋白（ZO-1）、閉合蛋白合成相關基因。
8. 腸道微生物多樣性：糞便樣本，16S rDNA V3-V4，Illumina Hiseq 2500，RDP數據庫，PICRUST預測功能基因（KEGG、COG）。
重要結果與討論
1. 菱形藻（Nitzschia laevis）對小鼠體重、脂肪厚度和肝脂肪的影響
水溶性化合物、類胡蘿卜素、多酚和脂肪酸的比例分別為13.55%、7.27%、13.83%和7.3%，多不飽和脂肪酸（PUFA）占總脂肪酸的30.32%。NLE對HFD導致的小鼠體重增加的抑制具有劑量依賴性（圖1B），NLE對HFD導致的小鼠體重增加的抑制作用不是通過抑制食物或能量攝入來實現的（圖1C;?1D）。NLE能夠降低HFD導致的脂肪厚度的增加（圖1E-1G）。
圖1. A-D：小鼠的體重相關特征；E-G：NLE對小鼠的白色脂肪組織的影響
2.?菱形藻（Nitzschia laevis）對小鼠肝臟的病理影響
NLE未能顯著降低HFD導致的BAT增長（圖2A），與脂肪代謝有關的UCP1和PGC1基因表達在HFD-LE組中顯著升高（圖2C-2D），HFD-HE顯著降低了肝重（圖2E），NLE對HFD誘導的脂肪增生具有有效的抑制作用（圖2F-2G）。Srebp1c與肝脂肪的變性有關，NLE對HFD導致的Srebp1c基因表達水平降低有恢復作用（圖2H）。
圖2. A-D：NLE對小鼠的棕色脂肪組織的影響；E-H：NLE對小鼠肝臟脂肪變性的影響
3. 菱形藻（Nitzschia laevis）對小鼠血脂、膽固醇、血糖和腸上皮完整性的影響
HFD-LE組、HFD-HE組均未顯著降低HFD導致的小鼠血清CHO、TG、LDL和HDL的升高（圖3A-3D）。緊密連接蛋白（ZO-1）和閉合蛋白是腸道上皮和屏障功能完整的重要生物標志物，其表達的減少顯著細胞外通透性增加。高濃度的NLE（HFD-HE組）顯著恢復了HFD造成的閉合蛋白基因mRNA轉錄的降低（圖3H）。NLE對閉合蛋白基因表達影響的劑量依賴性在West Blot試驗中也有體現（圖3I）。
?圖3. A-F：NLE對小鼠血脂、膽固醇、葡萄糖和胰島素耐受性的影響；G-I：NLE對小鼠緊密連接蛋白（ZO-1）和閉合蛋白的影響
4. 菱形藻（Nitzschia laevis）對小鼠腸道微生物的影響
HFD導致小鼠腸道菌群的多樣性降低，然而NLE恢復了菌群多樣性（圖4）。Proteobacteria?、Epsilonproteobacteria、Helicobacteraceae?和Campylobacterales在HFD-HE組顯著富集（圖5H;5I），NCD與HFD-HE組的菌群結構差異較?。▓D5J）， NLE提高了HFD-HE和HFD-LE組Campylobacterales的豐度（圖5K）。NLE恢復了部分HFD導致的[K]轉錄和[G]碳水化合物代謝與運輸的功能類型（圖5L）。
?圖4.?NLE對小鼠腸道微生物α多樣性（A-J）和菌群結構（K-O）的影響
圖5.?NLE對小鼠腸道微生物基因功能的影響
總結
菱形藻（Nitzschia laevis）能夠有效地緩解高脂肪攝食（HFD）導致的肥胖癥狀，能夠有效地恢復小鼠腸道微生物的結構和功能。
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modulation?of?gut?microbiota?in?mice?
褪黑素通過調節(jié)小鼠腸道菌群預防肥胖
IF：9.314 期刊：Journal of Pineal Research
時間：2017.03 ?單位：北京師范大學 、百邁客生物科技
研究背景
肥胖是一個非常嚴重的健康威脅因素，在2014年全球體重超標的成年人達到20億，其中至少有6億是肥胖癥。有大量研究表明肥胖是癌癥和一些慢性疾病，如糖尿病、脂肪肝、心血管疾病等的風險因素。現如今肥胖已經超越吸煙，成為世界范圍內最嚴重的健康威脅。目前研究表明腸道菌群失調會導致肥胖及其并發(fā)癥的發(fā)生。已有研究揭示褪黑素可以促進體重的下降以及自身能量的平衡，但是褪黑素的益生作用是否與腸道微生態(tài)有關，目前尚未報導。而本研究發(fā)現，褪黑素是通過改變腸道微生物結構來預防肥胖及其并發(fā)疾病。
研究方法
小鼠隨機分為3組，NCD（正常膳食）、HFD（高脂肪膳食）、HFD+M（高脂肪膳食+褪黑素）
Illumina?MiSeq；16S?rRNA?V3+V4;
組織學分析，生化分析，葡萄糖和胰島素耐受分析，蛋白質印記分析。
研究成果
1，?褪黑素能顯著地控制體重增加
1）?HFD組小鼠體重顯著增加，而HFD+褪黑素組小鼠體重得到有效控制，如下圖A。
2）分離小鼠四類主要的脂肪組織（Epi-WAT、Mes-WAT、Per-WAT、Ing-SAT），發(fā)現HFD顯著促進這四類脂肪組織重量的增加，而褪黑素能有效抑制這四類脂肪組織重量的增加，如下圖B-E。
2，?褪黑素能控制白色脂肪組織，脂肪肝，系統性炎癥
1）?通過比較Epi-WAT脂肪細胞的大小，發(fā)現HFD組脂肪細胞顯著增大；而褪黑素通過減少>12000μm2的細胞數目，增加2000–8000μm2的細胞數目，使HFD+褪黑素組脂肪細胞大小維持在正常范圍內，如下圖A-C。
2）?通過比較Epi-WAT脂肪生成基因（FAS和ACC-1）的表達量，發(fā)現HFD顯著促進FAS和ACC-1的表達，而褪黑素顯著抑制FAS基因的表達，如下圖D和E。
3）?通過觀察油紅O染色及比較肝臟TC含量，發(fā)現褪黑素能顯著抑制肝臟內脂質積累，如下圖F和G。
4）?通過比較血液內毒素（LPS）和炎癥性細胞因子（TNFα和IL-6）的水平，發(fā)現褪黑素能顯著抑制內毒素血癥和系統性炎癥的發(fā)生，如下圖H-K。
3，?褪黑素能改善葡萄糖耐受性及胰島素抗性
1）?通過比較血脂含量，發(fā)現HFD顯著提高TG和TC含量，而褪黑素能顯著降低TG和TC的含量，如下圖A和B。
2）?通過比較血糖和胰島素含量，并推導HOMA-IR和QUICKI指數，發(fā)現褪黑素能有效保護胰島素敏感性，并且使血糖和胰島素的含量發(fā)生顛倒，從而使HOMA-IR和QUICKI指數趨于正常水平，如下圖C-F。
3）?通過葡萄糖耐受試驗（IPGTT）和胰島素耐受試驗（ITT）分析，發(fā)現褪黑素能顯著改善葡萄糖耐受性及胰島素抗性，如下圖G和H。
4，?褪黑素能促進棕色脂肪組織褐變及產熱
1）?通過棕色脂肪組織（BAT）石蠟切片分析，發(fā)現HFD促進脂質積累（切片白化），而褪黑素表現出相反的作用，并且褪黑素促進BAT中UCP1蛋白的表達，如下圖A。
在BAT中，褪黑素顯著增強產熱基因UCP1和UCP3的表達，如下圖B和C；線粒體生物合成基因PGC1α，脂肪酸分解代謝基因CPT1β，脂質轉運基因CD36?和FABP的表達量也有提高，盡管未達到統計學的顯著性，如下圖D-G。
5，?褪黑激素改變腸道微生物結構
1）?通過對小鼠腸道菌群結構分析，發(fā)現褪黑素能顯著降低OTU的數目以及微生物的豐富度和多樣性，如下圖A-H。
2）?門水平菌落結構分析，發(fā)現HFD顯著降低擬桿菌門（Bacteroidetes）的相對豐度，而顯著提高厚壁菌門（Firmicutes）的相對豐度。而褪黑素的加入會降低厚壁菌門/擬桿菌門的比例，并且會顯著提高疣微菌門（verrucomicrobia）的相對豐度，如下圖I。
3）?屬水平菌落結構分析，發(fā)現褪黑素顯著提高Akkermansia的相對豐度，Akkermansia屬于疣微菌門（verrucomicrobia），如下圖J。
4）?UPGMA、NMDS、PCA、PCoA分析，發(fā)現褪黑素顯著改變了腸道菌群的結構，如下圖K-N。
6，褪黑素能調節(jié)腸道菌群中的標志微生物
1) ?如下圖顯示，在三個分組中一共找到85個相對豐度有顯著差異的OUT。與NCD組相比，HFD組有27個相對豐度顯著增高的OTU，42個顯著降低的OTU。與HFD組相比，添加了褪黑素的組有10個相對豐度顯著增高的OTU，20個顯著降低的OTU；而在這30個差異性的OTU中，有14個OTU的變化方向與和NCD組比較的結果完全相反。這14個OTU屬于Ruminococcaceae、Desulfovibrionaceae、Bacteroides、Porphyromonadaceae、Helicobacteraceae、Christensenellaceae，有研究表明這些微生物與肥胖相關。
2) LEfSe分析，發(fā)現褪黑素顯著提高Akkermansia的相對豐度，Akkermansia即是降低高脂肪膳食小鼠體重的有益菌。而褪黑素顯著降低Alistipes、Anaerotruncus、Helicobacter?marmotae的相對豐度，則這三種細菌預防肥胖的有害菌?？傊?strong>褪黑素能夠使高脂肪膳食小鼠的腸道菌群由失調狀態(tài)轉為正常狀態(tài)，從而抑制體重的增加。
參考文獻：
Xu?P,?Wang?J,?Hong?F,?et?al.?Melatonin?prevents?obesity?through?modulation?of?gut?microbiota?in?mice[J].?Journal?of?Pineal?Research,?2017.
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