肠道功能菌与营养互作诱发代谢综合征的分子生态学机制研究

The relationship between gut microbiota and metabolic syndrome has become frontier topics in microbial ecology. Under the support of previous key project of National Natural Science Foundation of China, we confirmed the correlation of endotoxin-producing bacteria and short chain fatty acids (SCFAs)-producing bacteria with metabolic syndrome in animal models, and found that Enterobacter cloacae B29 strain isolated from the gut of a severely obese patient induced serious obesity and insulin resistance in germfree mice, which provides direct evidence that gut microbiota trigger obesity and diabetes. In this project, the scientific question is “how the interactions among diet, endotoxin-producing bacteria, SCFAs-producing bacteria, and host affect the occurrence and development of metabolic syndrome”. We will perform whole genome sequencing of functional strains isolated from human gut such as B29, construct endotoxin gene mutant strains; inoculate germfree mice with B29 wild-type strain, B29 endotoxin mutant strains, and “consortium of gut bacteria” consisting of the B29 wild-type strain and SCFAs-producing bacteria, and rear the gnotobiotic mice under different nutritional conditions. We will study the role of diet - bacteria - host interactions in the development of excessive fat accumulation, fatty liver, chronic inflammation, and insulin resistance using transcriptomic and metabolomics techniques, and explore the relationship between the structural dynamic change of intestinal ecosystem system and development of metabolic syndrome.

肠道菌群与代谢综合征的关系已经成为微生物生态学的国际前沿课题。在前期自然基金重点项目支持下，我们通过动物模型明确了内毒素产生菌和短链脂肪酸产生菌与代谢综合征的相关性，并用来自重度肥胖患者肠道的阴沟肠杆菌B29株，在无菌小鼠中引起了严重的肥胖和胰岛素抵抗，为肠道菌群参与肥胖、糖尿病发生发展提供了最直接的证据。本项目围绕“膳食、内毒素产生菌、短链脂肪酸产生菌和宿主的相互作用如何影响代谢综合征的发生、发展”的科学问题，对B29等来自人肠道的功能菌株进行全基因组测序，并构建内毒素基因突变株；在无菌小鼠中接入B29野生株、B29内毒素基因突变株以及与短链脂肪酸产生菌等其他功能菌的组合，在不同的营养条件下，应用转录组、代谢组等手段，研究膳食-细菌-宿主的分子互作在脂肪过度积累、脂肪肝、慢性炎症以及胰岛素抵抗发生、发展中的地位和作用，探讨肠道生态系统的结构动力学变化与代谢综合征的关系。

研究分离和鉴定了对代谢病具有加重或改善作用的人体肠道有害菌和有益菌的代表菌株；利用悉生动物模型结合临床营养干预试验研究了这些功能菌株之间的生态学互作规律及其影响疾病发生发展的机制。在肥胖个体中过度生长的致病菌阴沟肠杆菌B29菌株，在其内毒素合成途径的关键基因WaaG敲除以后，即失去了在无菌动物中引发肥胖的能力；B29在TLR4受体敲除的无菌鼠中也不能引起肥胖，因此，LPS-TLR4是肥胖致病菌引发疾病的最上游的分子对话事件；其他在肥胖个体肠道中过度生长的革兰氏阴性条件致病菌也能在无菌鼠中引发肥胖，表明这些病菌通过内毒素引起慢性炎症而诱发代谢综合征是一个具有普遍意义的现象。一种高膳食纤维饮食在具有Prader-Willi 综合症的重度肥胖患儿及单纯性肥胖儿童中取得了显著的降低体重和改善代谢综合征的效果；同一个个体干预前后的菌群移植到无菌鼠，表明干预引起的菌群变化是推动症状改善的原因，也发现干预前的菌群可能通过调节PPARα促进脂肪肝的形成；从元基因组数据重构了优势菌的高质量基因组草图，发现了其生态功能群网络结构，其中以徦小链双歧杆菌为主的功能群可能是主要的有益菌群。通过同等热量的膳食进行随机分组的2型糖尿病临床干预研究，结合优势菌的高质量基因组草图重构，发现高膳食纤维在患者肠道中富集了一组特定的包括徦小链双歧杆菌在内的乙酸和丁酸产生菌，通过增加胰高血糖素样肽-1分泌促进胰岛素分泌，同时酸化肠道环境减少了产生内毒素、吲哚和硫化氢等的有害菌；分离了徦小链双歧杆菌，通过悉生动物模型，验证了其降低炎症、改善糖代谢的有益作用。通过一项随机、双盲、安慰剂对照的临床试验，测定了中药复方葛根芩连汤治疗前后2型糖尿病患者肠道菌群结构的变化，找到了与降糖疗效相关的关键细菌，包括分离了最重要的丁酸产生菌Faecalibacterium spp.。从健康宿主体内分离的丁酸产生菌Anaerostipes hadrus BPB5，加重了化学试剂诱导的小鼠结肠炎和死亡率，首次发现有些丁酸产生菌是有害的。该研究揭示了肠道菌群参与代谢病发生的新机制。