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再发“昊”文!亚博微生物项目文章登陆肠道微生物领域顶尖期刊《Gut Microbes》

发稿时间:2021-03-16来源:亚博生物

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郑州中医药大学药学院卞慧敏教授团队的研究成果近期发表在肠道微生物领域顶尖期刊Gut Microbes(一区,IF=7.74)上,研究成果发现围绝经期动脉粥样硬化进展过程中的肠道微生物群显示出特定的组成变化,并与循环脂质代谢物显著相关,在这项研究中亚博生物有幸承担了样品的相对定量扩增子测序和生信分析工作。在恭喜客户发表文章同时,我们想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文题目:Thegut microbiota during the progression of atherosclerosis in the perimenopausalperiod shows specific compositional changes and significant correlations withcirculating lipid metabolites

中文题目:围绝经期动脉粥样硬化进展过程中的肠道微生物群显示出特定的组成变化,并与循环脂质代谢物显著相关

期刊名: Gut Microbes

影响因子: 7.74

围绝经期动脉粥样硬化(AS)加重,显著增加心血管疾病的发病率。肠道菌群的破坏与AS或更年期有关,但围绝经期AS相关肠道菌群的具体变化仍不清楚。由于脂质异常是AS的主要原因,因此,迄今为止,脂质代谢异常与更年期肠道菌群紊乱之间的关系鲜有报道。在本研究中,用高脂饮食(HFD)喂养的ApoE-/-小鼠(动脉粥样硬化小鼠模型)进行卵巢切除并补充雌激素,切除卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠发生了显著的AS损伤、肝脂质损伤、高脂血症以及脂质代谢和转运相关酶的变化。卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠血浆中某些脂质代谢产物的丰度显著高于未切除卵巢的小鼠,包括胆固醇酯、甘油三酯、磷脂和其他类型的脂质(游离脂肪酸、酰基鸟氨酸、鞘磷脂和神经酰胺),雌激素能显著降低大多数脂质代谢产物的含量。与未切除卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠相比,切除卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠肠道微生物群的多样性和组成发生了明显变化。相反,补充雌激素后,肠道微生物群的多样性和组成恢复到接近未切除卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠,一些细菌的相对丰度甚至与正常饮食喂养的C57BL/6小鼠相似。另一方面,将正常饮食喂养的C57BL/6小鼠的粪便移植到卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠,足以纠正高脂血症和AS损伤,逆转卵巢切除HFD喂养的ApoE-/-小鼠脂质代谢组学特征的变化。在将雌激素处理的卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠的粪便移植到卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠后,也观察到了这些现象。此外,肠道菌群与脂质代谢产物显著相关,说明围绝经期血脂的变化可能与肠道菌群的破坏有关。综上所述,围绝经期AS进展过程中的肠道微生物群表现出特定的组成变化,并与循环脂质代谢物显著相关,补充雌激素可能对肠道细菌和脂质代谢产生有益影响。

在更年期,女性经历雌激素的下调和激素受体的功能障碍,也容易患上各种疾病,包括心血管疾病(CVD)。对临床数据的年龄特异性分析表明,女性冠状动脉粥样硬化性心脏病的危险因素随着年龄的增长而增加。大规模的人口研究已经证实了年龄和更年期与女性血脂水平和心血管疾病的关系。在雌激素充足的女性,肠道微生物群呈现物种多样性,有益细菌占优势,抑制有害细菌的生长和自毒作用。围绝经期综合征女性有益细菌如乳酸杆菌和双歧杆菌的相对丰度显著降低,有害细菌如肠杆菌的相对丰度急剧增加。除了更年期,肠道微生物群也参与肥胖、糖尿病和动脉粥样硬化的进展。Santos-Marcos-JA等人分析了绝经前和绝经后妇女肠道微生物群的差异。结果表明,绝经后妇女肠道菌群中的Firmzicutes/Bacteroides比例较高,LachnospiraRoseburia的相对丰度较高,PrevotellaParabacteroidesBilophila的相对丰度较低。Choi等人比较了饮食诱导和双侧卵巢切除肥胖小鼠的肠道微生物群特征,它们的肠道微生物群组成相似,但在Bifidobacterium animalisDoreaAkkermansia muciniphila Desulfovibrio存在差异。因此,围绝经期肠道微生物群可能会发生特定的组成变化。ASCVD的主要危险因素,其特点是脂质代谢异常,导致胆固醇沉积在动脉壁上,最终形成斑块。高胆固醇血症是AS的直接原因和独立危险因素。降低血浆胆固醇水平是预防和治疗AS的关键。在过去的十年中,肠道微生物群的不平衡与AS的进展密切相关。然而,围绝经期AS进展过程中肠道微生物群的特殊组成变化与循环脂质代谢产物变化之间的关系尚不清楚,同时,这一时期雌激素不足是否是促进AS进展的关键因素仍需深入研究。在这里,双侧卵巢切除的ApoE-/-小鼠被用来揭示围绝经期肠道微生物群的特殊组成变化,检测血浆脂质代谢产物和粪便肠道菌群,并分析两者之间的相关性。我们提供了一些证据,表明双侧卵巢切除的ApoE-/-小鼠的AS加重,肠道微生物群发生了特异性变化,此外,血脂代谢产物明显紊乱,并与肠道菌群变化显著相关。雌激素缺乏可能主导围绝经期肠道菌群和血脂代谢的变化,加速AS的进展。



补充雌激素降低了由HFD喂养的ApoE-/-小鼠卵巢切除术引起的动脉粥样硬化的加速

为探讨雌激素对动脉粥样硬化(AS)进展的潜在影响,检测各组90天的血脂水平(TCTGLDL-cHDL-c)及动脉粥样硬化病变。与正常喂养的C57BL/6小鼠相比,喂食高脂饮食(HFD)的ApoE-/-小鼠具有更高的TCTGLDL-cHDL-c水平(图1a))。此外,与未接受手术的小鼠相比,HFD喂养的ApoE-/-小鼠双侧卵巢切除显著增加了TCTGLDL-c的水平,但降低了HDL-c的水平。此外,与正常喂养的C57BL/6小鼠相比,HFD喂养的ApoE-/-小鼠在胸主动脉(图1bc))和主动脉根部(图1de))处的AS显著加重,并且内膜-中层厚度显著增加(图1f)),双侧卵巢切除加重了HFD喂养的ApoE-/-小鼠的动脉粥样硬化病变(图1b-f))。总的来说,雌激素缺乏加速了AS的进展,如前所述。HFD喂养的ApoE-/-小鼠接受双侧卵巢切除术后,与未接受手术的HFD喂养的ApoE-/-小鼠相比,他们被灌胃给予0.13 mg/kg雌激素90天,TCTGLDL-c水平显著降低,而HDL-c显著升高(图1a))。此外,雌激素补充减轻了因HFD和卵巢切除而加重的动脉粥样硬化病变,表现为胸主动脉(图1bc))和主动脉根部(图1de))的脂质沉积减少以及内膜-中膜损伤(图1f))。

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补充雌激素逆转去卵巢HFD喂养ApoE-/-小鼠的脂质积聚和脂质代谢相关酶mRNA表达的变化

与未接受卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠相比,卵巢切除导致的雌激素丢失促进了肝脏中的脂质积聚和组织损伤(图2(a-e))。另一方面,肝脏中脂质代谢相关酶(如LPCAT3、FASN、FDPS、HMGCR、HMGCS和SREBP)的mRNA水平显著升高,但脂质转运酶(如ABCG5、ABCG8、ABCA1、ACAT1、LCAT、LDLR、LXR和SR-B1)的mRNA水平显著降低。用雌激素补充卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠不仅减少了肝脏中的脂质积聚和组织损伤,而且显著下调了脂质代谢相关酶的mRNA水平和上调了脂质转运酶的mRNA水平(图2(f))。我们还研究了小肠(空肠)脂质转运酶的mRNA表达,卵巢切除可降低HFD喂养的ApoE-/-小鼠小肠(空肠)中ABCG5、ABCG8、ABCA1、ACAT1、LCAT、LDLR、LXR和SR-B1的表达,而补充雌激素可上调这些脂质转运酶在肠道中的mRNA表达(图2(g))。

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在卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠中,脂质代谢组学显著改变,并且可通过补充雌激素逆转

血清样本的PCA显示,正常饮食喂养的C57BL/6小鼠、HFD喂养的ApoE-/-小鼠、卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠和雌激素治疗的卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠的循环脂质代谢物明显分离(图3a)),结果表明,通过建模改变了脂质代谢组学,补充雌激素可调节双侧卵巢切除引起的代谢紊乱,雌激素治疗恢复了HFD喂养的ApoE-/-小鼠卵巢切除的效果。正交偏最小二乘判别分析(OPLS-DA)也用于分析代谢数据,使两组之间的一般代谢变化可视化和描绘。R2XR2YQ2Y分别代表自变量的可解释性、因变量的可解释性和OPLS-DA的可预测性(图3bdf))。置换检验可以用来评价OPLS-DA是否过拟合,R2YQ2代表拟合优度系数。两组之间的比较均未显示过度拟合(图3ceg))。OPLS-DA在正常饮食喂养的C57BL/6小鼠和HFD喂养的ApoE-/-小鼠之间、HFD喂养的ApoE-/-小鼠和卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠之间、卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠和雌激素处理的卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠之间的可解释性超过0.5,并且每两种小鼠之间的区别更大,两组之间有明显的分离(图3bdf))。

                    



然后,我们根据脂质代谢组学生成热图和聚类直方图,以可视化和描述各组之间的区别(图4)。总的来说,卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠的胆固醇酯(CE)、甘油三酯(TG)、磷脂和其他类型的脂质(包括游离脂肪酸、酰基鸟氨酸、鞘磷脂和神经酰胺)的血浆水平显著高于未接受手术的HFD喂养的ApoE-/-小鼠(图4)。特别是,与HFD喂养的ApoE-/-小鼠相比,在卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠中,九种胆固醇酯(CE)的含量显著增加,而一种(CE 18:2)的含量显著降低(图4ab))。雌激素(0.13mg/kg,灌胃)能显著降低去卵巢HFD喂养ApoE-/-小鼠血浆中9CEs的含量,但使血浆中CE 18:2的含量升高,接近HFD喂养ApoE-/-小鼠的水平。在切除卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠中,5种甘油三酯(TG)的含量显著增加,但8TGs的含量显著降低,通过雌激素给药恢复到接近HFD喂养的ApoE-/-小鼠的水平(图4ac))。在切除卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠中,31种磷脂的含量显著增加,而2种磷脂的含量显著降低,通过雌激素给药恢复到接近HFD喂养的ApoE-/-小鼠的水平(图4ad))。卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠的两种游离脂肪酸、两种鞘氨醇、一种酰基鸟氨酸和一种神经酰胺的含量显著增加,通过雌激素给药雌激素恢复到接近HFD喂养的ApoE-/-小鼠的水平(图4ae))。


补充雌激素可以逆转HFD喂养的ApoE-/-小鼠卵巢切除引起的肠道微生物群的变化

基于OTU丰度表,Venn图给出了每个组中唯一的OTU和组间共享的OTUs。正常饮食喂养的C57BL/6小鼠中有545个OTUs和90个独特OTUs,HFD喂养的ApoE-/-小鼠中有454个OTUs和23个独特OTUs,卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠中有435个OTUs和16个独特OTUs,雌激素治疗的卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠中有487个OTUs和30个独特OTUs。正常饮食喂养的C57BL/6小鼠的肠道微生物群(OTUs)最多,其次是HFD喂养的ApoE-/-小鼠、卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠和雌激素治疗的卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠(图5(a))。PCA结果显示,四组粪便样品中肠道微生物群有明显的分离。正常饮食喂养的C57BL/6小鼠和HFD喂养的ApoE-/-小鼠之间,HFD喂养的ApoE-/-小鼠和卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠之间,以及卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠和雌激素处理的卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠之间的肠道微生物群物种存在显著差异。通过补充雌激素,卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠的肠道微生物群落物种恢复到接近于HFD喂养的ApoE-/-小鼠,甚至接近于正常饮食喂养的C57BL/6小鼠(图5(b))。采用六种分析方法(Chao1和Observed species用于表征丰富度,Shannon和Simpson来表征多样性,Faith-PD用于表征基于进化的多样性,Good's coverage用于表征覆盖度)来显示小鼠粪便中肠道微生物群的α多样性。切除卵巢后,HFD喂养的ApoE-/-小鼠的丰富度、多样性和基于进化的多样性显著降低。雌激素补充增加了HFD喂养的ApoE-/-小鼠卵巢切除引起的肠道微生物群的丰富性、多样性和进化多样性(图5(e))。通过NMDS和差异分析(图5(c,d))对四组肠道微生物群落的β多样性进行了分析,结果表明,这四组中存在相同的变化。


然后绘制聚类直方图,以显示每个样本(图6(a,c,e))和每个组(图6(b,d,f))中肠道微生物物种的组成。在门水平上,四组动物粪便中的肠道微生物群以Bacteroidetes和 Firmicutes为主。HFD喂养的ApoE-/-小鼠的肠道菌群组成与正常饮食喂养的C57BL/6小鼠显著不同,Firmicutes 和Proteobacteria的相对丰度增加,Bacteroidetes的相对丰度减少。与HFD喂养的ApoE-/-小鼠相比,去卵巢HFD喂养的ApoE-/-小鼠的上述变化进一步增强。雌激素处理的去卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠中Firmicutes、Bacteroidetes、Proteobacteria的相对丰度与正常饮食喂养的C57BL/6小鼠相似(图6(a,b))。在科水平上,正常饮食喂养的C57BL/6小鼠粪便中Lactobacillaceae、Clostridiaceae、Desulfovibrionaceae、Peptostreptococcaceae的相对丰度显著高于其他组;HFD喂养的ApoE-/-小鼠肠道微生物群中Porphyromonadaceae、Lachnospiraceae、Rikenellaceae、Prevotellaceae的相对丰度均显著高于正常对照组。卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠肠道微生物群中的Erysipelotrichaceae、Bacteroidaceae、Coriobacteriaceae的相对丰度显著高于其他组。与卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠相比,补充雌激素后,Lactobacillaceae、Erysipelotrichaceae的相对丰度增加,但Porphyromonadaceae、Lachnospiraceae的相对丰度减少(图6(c,d))。在属水平上,正常饮食喂养的C57BL/6小鼠粪便中Akkermansia、Clostridium_XlVa、Lactococcus的相对丰度显著高于其他组。HFD喂养的ApoE-/-小鼠肠道微生物群中Ruminococcus、Escherichia/Shigella、Alloprevotella的相对丰度显著高于正常饮食喂养的C57BL/6小鼠。切除卵巢的HFD喂养的ApoE-/-小鼠的Turicibacter、Streptococcus、Prevotella、Enterorhabdus水平显著高于其他组。与卵巢切除的HFD喂养的ApoE-/-小鼠相比,补充雌激素后Enterococcus、Lactobacillus的相对丰度增加,而Prevotella的相对丰度减少(图6(e,f))。