均衡饮食是影响人类健康最重要的因素之一。近期研究表明，饮食是肠道菌群结构、功能和动态变化的主要决定因素，不同的饮食模式可快速的改变人类肠道微生物组。此外，饮食驱动下的肠道菌群代谢产物与心血管和代谢疾病的发病机制存在因果关系。类黄酮是植物性饮食的关键成分。通过清除自由基和激活与人类疾病有关的分子效应器，而具有抗氧化，抗肥胖和化学防御特性。
2022年11月，美国克利夫兰诊所心血管研究中心Lucas J. Osborn等在《PNAS》上发表了一篇题为“A gut microbial metabolite of dietary polyphenols reverses obesity-driven hepatic steatosis”的研究论文。揭示了肠道微生物对与类黄酮消耗相关的代谢益处的贡献，并强调了这一过程在人类肠道微生物群落中的独特性。
文章简介
文章题目：A gut microbial metabolite of dietary polyphenols reverses obesity-driven hepatic steatosis
发表单位：美国克利夫兰诊所
发表时间：2022.11.23
发表期刊：PNAS
影响因子：12.779
研究对象：小鼠、人、细菌
样品类型：盲肠内容物、血浆、肝脏
组学类型：微生物多样性、宏基因组、细菌基因组、真核转录组、代谢组、蛋白组
研究思路
主要结果
1、类黄酮可降低高脂饮食诱导的肥胖
为了确定候选分解代谢产物，研究者对在高脂饮食(HFD)下补充三种不同的类黄酮复合物(FC1，FC2和FC3)的小鼠进行了比较。结果观察到FC1小鼠对HFD诱导的肥胖有明显的保护作用。盲肠内容物的微生物多样性测序结果显示，FC1小鼠的多样性明显高于使用NMDS的HFD对照组小鼠和其他FC小鼠。值得注意的是，与HFD对照组相比，FC小鼠盲肠中Lachnospiraceae UCG-006显著富集。
通过对小鼠血浆进行靶向代谢物研究，分析六种已知的可检测的微生物类黄酮分解产物。与HFD对照组相比，FC1小鼠门静脉血浆中只有4-HPAA和4-羟基-3-甲氧基苯甲酸显著富集，且4-HPAA浓度差异倍数最大。综合分析，最后研究中选择4-HPAA作为候选分子来验证假设：一个单一的微生物类黄酮分解代谢产物足以消除HFD诱导的代谢性疾病的关键参数。
图1 补充类黄酮可减少HFD诱导的肥胖和改变盲肠微生物群
2、单一微生物类黄酮分解产物逆转肝脏脂肪变性
研究人员验证了FC1产生的代谢益处是否部分可归因于微生物类黄酮分解产物4-HPAA。给肥胖小鼠以皮下缓释4-HPAA，发现其在冷暴露下更倾向于利用碳水化合物作为能量来源，并且棕色脂肪组织中解偶联蛋白1 (Ucp1) mRNA表达增加，表明4-HPAA可能调节冷暴露过程中的代谢灵活性。
值得注意的是，仅6周后，与对照组小鼠相比，皮下给药4-HPAA可显著逆转肝脏脂肪变性。与肝脏代谢和炎症相关基因的RT-qPCR结果表明4-HPAA具有明显的代谢益处，部分受组织特异性转录重编程的调节。通过对肝脏的转录组测序进一步说明，4-HPAA处理可以减少肝脏脂肪变性，至少部分是通过肝脏内的转录重塑来实现的。
图2 4-HPAA足以逆转HFD诱导的肝脏脂肪变性和肝损伤
图3 4-HPAA影响肝脏转录组
3、4-HPAA激活肝脏AMPKα信号
接下来研究人员揭示可能与4-HPAA诱导的肝脏转录变化有关的信号级联。给小鼠门静脉注射4-HPAA，10分钟后收集肝脏组织进行磷酸化蛋白组分析，发现处理组和生理盐水对照组中存在大量的磷酸肽的丰度差异。在4-HPAA处理的小鼠中，所有定位到下调磷酸肽的亲本基因的通路分析都涉及到AMPK通路和AMPK相关代谢效应因子。
通过对皮下给药实验中的肝脏组织进行免疫印迹分析，结果证实了通过门静脉直接给药4-HPAA作为替代给药方法的动物肝脏中AMPK和ACC的剂量依赖性激活。用4-HPAA处理原代小鼠肝细胞30 min，可导致AMPKα和ACC在体外以剂量依赖性方式发生磷酸化。以上结果表明，4-HPAA在肝脏(主要积累部位)局部起作用，激活AMPKα及其下游信号通路，进而激活脂肪酸氧化并减弱脂肪的从头生成。
图4 4-HPAA激活AMPK通路和下游效应分子以减少肝脏脂肪新生
4、人类类黄酮分解代谢是罕见的，强调其治疗潜力
临床研究表明，类黄酮分解代谢在人类肠道微生物群中不太突出，并表现出显著的个体间差异。Flavonifractor plautii是能够将膳食黄酮醇分解为单酚酸的人类肠道共生菌，属于Lachnospiraceae科（是FC小鼠肠道的主要差异微生物）。黄酮和黄酮醇逐步降解为4-HPAA等单酚酸，总共需要4个基因。这四个基因编码FLR、CHI、EnoR和PHY。
为了预测人类的黄酮醇分解能力，研究人员计算了这一分解基因集在两个公开可用数据库宏基因组测序数据(n = 1,899 assemblies)中共出现的发生率。尽管在这些数据集中，有28%的人类微生物中存在着F. plautii，但任何一个分解代谢基因的发生率（与参考基因集的序列相似性>40%)不超过7%。所有四个基因同时出现——黄酮醇完全降解途径所需——是非常罕见的，约为百分之一。这些数据表明，并不是所有的F. plautii菌株都能分解黄酮醇。菌株的体外实验发现，当有黄酮醇底物时，F. plautii迅速诱导黄酮醇降解途径相关基因的转录，并在山奈酚消耗后下调，随后产生4-HPAA。
下一步研究人员开始在体外实验黄酮醇山奈酚通过稳定的人类衍生的多微生物群落转化为4-HPAA的情况。使用靶向LC-MS/MS方法测量4-HPAA，在含有F. plautii的群落中观察到山奈酚底物完全转化为4-HPAA，但在阴性对照中没有观察到。这一结果验证了研究人员的假设——单个具有黄酮类化合物分解代谢活性的微生物可以被引入复杂的人类粪便微生物群落中，在体外产生4-HPAA。
最后研究人员将F. plautii定植到无菌小鼠的胃肠道，并验证通过给药山奈酚底物可以调节4-HPAA水平的假设。2周后，与生理盐水对照组相比，在山奈酚处理的小鼠门静脉血浆和盲肠中观察到4-HPAA水平增加。这些数据表明，4-HPAA的产生可以通过单个微生物的分解来调节。
图5 黄酮醇和黄酮分解基因在人类微生物群中很少发现
结果与讨论
本研究揭示了与类黄酮摄入相关的宿主代谢益处部分取决于肠道微生物代谢。具体而言，研究证明了单一肠道微生物类黄酮分解代谢产物4-HPAA足以减轻小鼠饮食诱导的心血管代谢疾病(CMD)症状。在高脂肪饮食中添加类黄酮可提高门脉血浆中4-HPAA的水平，减轻肥胖，且持续的4-HPAA输送足以逆转肝脏脂肪变性，与激活AMPKα有关。在对健康人类肠道宏基因组的一项大型调查中，发现只有约1%的基因组包含将黄酮醇分解为4-HPAA所需的全部四种特征同源基因。本研究证明了肠道微生物对与类黄酮消耗相关的代谢益处的贡献，并强调了这一过程在人类肠道微生物群落中的罕见性。
参考文献.
Osborn L J, Schultz K, Massey W, et al. A gut microbial metabolite of dietary polyphenols reverses obesity-driven hepatic steatosis[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(48): e2202934119.
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