肠道菌群调控高脂饮食代谢适应的分子机制研究

Metabolic responds to high-fat diet treatment were heterogeneous. Some individuals consuming a long-term high-fat diet can still display metabolic healthy outcome (i.e. high insulin sensitivity, normal fasting glucose and blood lipid levels) despite being obese, suggesting the existence of metabolic adaptations. Evidence shows that the development of metabolic adaptation to a high-fat diet is associated with a change in the gut microbiota. However, how gut microbiota manipulates host metabolism during metabolic adaptation to a high-fat diet remain to be elucidated. Gut microbial metabolites of short-chain fatty acids can be used for hepatic de novo lipogenesis. Our previous studies highlighted the clinically close associations between serum free fatty acids composition and elongase/desaturase enzyme activities with different metabolic status and metabolic alteration in obese individuals. Given these, we plan to conduct a unique animal model of metabolic adaptation by high-fat carbohydrate-free diet. The gut microbiota composition, short-chain fatty acids profile and medium/long-chain fatty acids profile, will be measured in both diabetes-prone and diabetes-resistant obese mice, in order to find the key microbes and fatty acid species related to the different metabolic phenotypes of obesity. Furthermore, the finding will be validated in vitro and in vivo. Overall, this study will characterize the molecular mechanism of metabolic adaptation to a high-fat diet manipulated by gut microbiota, and represent a promising strategy to control or prevent obese diabetes.

高脂饮食的代谢响应具有异质性。部分个体长期摄入高脂饮食虽然发生肥胖却仍能保持高的胰岛素敏感性和正常的血糖血脂水平，这种现象提示存在对高脂饮食的代谢适应。研究表明肠道菌群结构改变与宿主对高脂饮食的代谢适应有密切联系。然而，肠道菌群通过何种途径调控宿主代谢形成代谢正常肥胖表型，目前少有研究。肠道菌群代谢产物短链脂肪酸可被用于肝脏脂肪合成。申请人前期临床研究发现血清游离脂肪酸组成及其延长/脱氢代谢酶活性与肥胖不同代谢状态及其改变有关。鉴于上述，本项目拟建立高脂饮食代谢适应小鼠模型，分别测定肥胖糖尿病易感及肥胖糖尿病抵抗两种不同表型的肠道菌群结构、短链脂肪酸谱以及中长链脂肪酸谱，挖掘与高脂饮食下的肥胖糖尿病抵抗有密切联系的关键肠道菌种和关键脂肪酸，并进一步通过体外和体内实验验证。研究结果有望阐明肠道菌群调控高脂饮食代谢适应的分子机制，并为临床肥胖型2型糖尿病的治疗和预防提供新的思路和手段。

高脂饮食的代谢响应具有异质性。肠道菌群结构改变与宿主对高脂饮食的代谢适应有密切联系。为阐明肠道菌群调控高脂饮食代谢适应的分子机制，本项目采用整合代谢组学（metabolomics）和元基因组学（metagenomics）技术以及跨组学关联分析（cross-omics association analysis）策略，对高脂饮食诱导代谢适应小鼠模型的肠道微生物组成和代谢物谱进行了多层次分析，取得了以下主要成果：..1）建立和完善了基于质谱的三个非靶向及靶向代谢组学分析平台，即基于气相色谱-飞行时间质谱（GC-TOFMS）的高覆盖性微生物代谢组学分析平台（含代谢指纹分析和代谢足迹分析）、基于超高效液相色谱-四级杆-轨道阱质谱（UHPLC-QEMS）的脂质组学分析平台、以及基于超高效液相色谱-四级杆-飞行时间质谱（UPLC-QTOFMS）的中长链游离脂肪酸（M-LCFA）分析平台，并应用于本课题研究中。..2）对高脂饮食代谢适应小鼠模型盲肠内容物、血清、肝脏、脂肪等代谢谱进行了系统分析，对盲肠内容物进行了元基因组学分析，结合宿主糖脂代谢生化指标等结果，对“宿主个体宏观表型-肠道菌群组成变化-代谢应答”三者之间的联系进行了多层次关联研究，初步阐明了“肠道菌群-宿主”互作对高脂饮食代谢适应表型的局部和全局代谢调控机制。..3）研究了大肠杆菌对小鼠肠道微生物组成和代谢物谱的影响，通过组间差异分析、血清代谢物与粪便代谢物相关分析，代谢物-肠道菌-糖脂生化指标的关联分析等，筛选了关键肠道微生物和关键代谢物，初步探讨了大肠杆菌与肠道微生物相互作用、“大肠杆菌-肠道菌群-宿主”代谢相互作用引起的肠道微生态和代谢稳态失衡对糖脂代谢异常的作用和机制。..项目执行期间，已发表SCI论文5篇（其中一区论文1篇，二区论文4篇，总影响因子约28），中文核心论文1篇；1项发明专利获授权，2项发明专利在实审中；培养研究生7人，已毕业硕士1人。超额完成了计划任务。..本项目研究结果为深入研究肠道微生物调控的宿主糖脂代谢异常的机制及糖脂代谢产物的分布、转化途径等提供了基础，也为发展代谢健康新策略提供了新的思路。.