苦瓜改变肠道菌群结构与改善胰岛素抵抗相关性及机制研究

Insulin resistance (IR) developed from both dietary nutritional imbalance and fats has become a new problem of nutritional dystrophy and public health. Based on the previous research, bitter melon was regarded to renovate the injured islet tissue and change the gut microbiota composition of type 2 diabetic rats, it was also identified to prevent and ameliorate hepatic steatosis of obese rats. Hence in the present study, we will establish nutritional obese rat model and focus on: 1) determining the changes of gut microbiota between the experimental groups before and after sampling by using PCR-DGGE and Illumina methods; 2) analyzing the functional genes related to glucose and lipid metabolism in the gut microbiota genes by using Illumina and KEGG、COG database; 3) studying the gene expression profiling and target genes of bitter melon alleviating IR with RNA-Seq technology; 4) analyzing the metabolic products in the body after alleviating IR by bitter melon with metabonomics method, finding out candidate biomarkers and tracing its upstream regulatory proteins. Based on the above study, the relevance between the changes of gut microbiota and IR alleviation by bitter melon will be established, the molecular nutritional pathway that bitter melon improves IR will be explained and its mechanism of action will be revealed. Our findings will provide the theoretical foundation for the development of bitter melon as a lipid- and glucose-lowerting food.

胰岛素抵抗作为2型糖尿病的前期表现，与膳食营养失衡、肥胖等因素相关，是近年来突出的营养失调和公共健康问题。项目组前期研究表明，苦瓜冻干粉能修复2型糖尿病大鼠受损的胰岛组织，改变其肠道菌群结构，预防和改善肥胖大鼠肝脏细胞的脂肪化。本项目拟在此基础上，以营养型肥胖大鼠为模型，采用PCR-DGGE和Illumina测序技术，分析饲喂苦瓜前后大鼠肠道菌群结构变化；采用Illumina测序技术和KEGG、COG数据库，分析大鼠肠道菌群中与糖脂代谢相关的功能基因；采用RNA-Seq技术深入研究苦瓜改善大鼠胰岛素抵抗的基因表达谱及靶点基因；采用代谢组学手段研究苦瓜对大鼠体内代谢产物的影响，寻找特征生物标记物，并追溯其上游调控蛋白。综合以上研究，建立苦瓜改变肠道菌群结构与改善胰岛素抵抗的关联，阐释苦瓜改善胰岛素抵抗的分子营养途径，揭示苦瓜改善胰岛素抵抗的作用机制，为开发苦瓜等调脂降糖食品提供理论基础。

胰岛素抵抗作为2型糖尿病的前期表现，与膳食营养失衡、肥胖等因素相关，是近年来突出的营养失调和公共健康问题。本项目采用胰岛素抵抗模型（简称肥胖大鼠）研究苦瓜改善胰岛素抵抗与肠道菌群的关联机制。运用ELISA、realtime-PCR、Western blot等技术，分析苦瓜对肥胖大鼠肠源性内毒素血症的影响；采用Illumina Miseq测序技术分析苦瓜对肥胖大鼠肠道菌群结构的影响，并利用KEGG数据库分析肥胖大鼠肠道菌群注释到相关通路上的功能基因变化；基于1H NMR和GC-MS技术，分析苦瓜对肥胖大鼠粪便上清、血清和尿液代谢产物组成及变化趋势的影响；运用RNA-Seq技术深入研究苦瓜改善肥胖大鼠结肠粘膜的基因表达谱及其靶点基因；并选取HepG2和3T3-L1细胞模型，确证不同苦瓜提取物对胰岛素抵抗的干预作用及其作用途径。结果表明，苦瓜具有显著的改善胰岛素抵抗作用，其作用途径与机制包括：（1）改善肥胖大鼠肠粘膜屏障受损，降低结肠内容物提取液毒性，缓解慢性低水平炎症，干预IκBα/NF-κB 和JNK/p38炎症通路；（2）调节肥胖大鼠肠道菌群结构使其在门水平上更接近于正常组，增加产短链脂肪酸菌属的丰度，减少肠道菌群中与炎症反应相关功能基因的表达；（3）改变粪便上清、尿液和血清的代谢谱，发现粪便上清中的10种生物标记物与肠道菌群结构变化存在相关性，尿液代谢谱中有代表性的生物标记物为半乳糖酸、琥珀酸和异柠檬酸，血清代谢谱中的代表性生物标记物为谷氨酸；（4）结肠粘膜的基因表达谱显示苦瓜组和高脂组差异表达基因所富集的通路大部分集中在脂代谢、胰岛素信号通路和炎症通路，并确定了苦瓜调节胰岛素信号通路和炎症通路的两个核心基因为PRKCβ 和 Pla2g2a；（5）苦瓜提取物均能调节HepG2胰岛素抵抗细胞的糖脂代谢，改善胰岛素抵抗症状，降低3T3-L1前脂肪细胞的分化率。本项目的实施，揭示了苦瓜改变肠道菌群结构进而改善胰岛素抵抗，即通过“肠源内毒素→脂肪炎症因子→靶点基因”途径改善胰岛素抵抗的作用机制，并明确了具有代表性的部分代谢标记物和核心基因，丰富了食物干预代谢综合征的理论依据。