康奈尔大学：膳食胆固醇与小鼠和人类肠道微生物群相互作用的表征

背景

膳食是决定肠道微生物群功能的决定性因素，对宿主健康具有重要影响。膳食脂肪摄入可以决定微生物群的群落结构，但不同类别的脂肪和脂质如何与肠道微生物群的特定成员相互作用，从而引起宿主健康的变化，这一点尚不十分清楚。更好地了解不同脂质如何与微生物群相互作用，将有助于更有效地利用饮食来精确调节肠道微生物群的功能。一种其微生物加工对宿主代谢健康具有重大影响的膳食脂质是胆固醇，一种对多种生物过程 (包括膜动力学、脂质转运和分子信号传导)必不可少的动物脂质。胆固醇是通过饮食或肝脏从头生物合成获得的。消化系统在消化过程中将胆固醇和其他胆汁成分分泌到小肠中。胆固醇稳态失衡，如高胆固醇血症，与动脉粥样硬化病变和心血管疾病的发生有关。

食用胆固醇等膳食脂质会调控肠道微生物群，通过产生微生物群衍生的代谢产物对宿主健康产生影响。尽管对宿主代谢有影响，但已确定了肠道微生物群与饮食衍生脂质之间数量有限的特异性相互作用的特征。这部分是因为获得负责任分类群的物种水平分辨率可能具有挑战性，并且需要额外的方法来识别由胆固醇微生物组相互作用产生的与健康相关的代谢物。

简介

2022年8月18日，来自美国康奈尔大学的Henry H. Le及其团队在Nat Microbiol (IF: 15.54)发表了名为Characterization of interactions of dietary cholesterol with the murine and human gut microbiome的研究[1]。

主要结果

分离与膳食衍生胆固醇相互作用的微生物

为了更好地了解膳食中的胆固醇如何与肠道微生物群相互作用，我们将小鼠暴露于胆固醇的修饰形式 (胆固醇炔烃 (胆甾醇))，该修饰形式已被用于研究已建立系统中的胆固醇代谢，并可使用BOSSS工作流程通过饮食中的微生物群相互作用进行追踪。通过每天管饲的方式将CholAlk口服引入小鼠，持续一周，并从盲肠内容物中分离出微生物群。口服天然胆固醇也可作为下游代谢组学分析中观察到的炔烃修饰引起的任何脱靶效应的对照。然后将微生物群样本分为两类：一类是与胆硷或任何炔烃持续性代谢衍生物 (Alk+)相互作用的微生物群；而第二个群体对胆蛋白相互作用 (Alk-)无效。因此，在体内条件下，我们的Alk+部分包括与膳食胆固醇直接相互作用的微生物和膳食胆固醇的宿主 (或微生物)修饰，所有这些我们都称为膳食衍生胆固醇相互作用者。为了鉴定这些群体，我们通过成熟的铜催化点击环加成反应用含叠氮化物的AF647标记Alk+微生物 (图1a)。荧光显微镜检查发现，部分微生物盲肠内容物为Alk+ (图1b)。为了进一步研究膳食胆固醇相互作用微生物的特性和代谢能力，我们使用FACS将膳食来源的胆固醇相互作用Alk+群体与非相互作用Alk-群体进行了分类 (图1c)。为了确定Alk+和Alk-流式细胞仪分选参数，我们培养了真细菌粪甾烷寡核苷酸 (例如E. cop)，一种已知通过胆固醇转化为粪甾烷醇与胆固醇相互作用的细菌。显微镜检查证实了大肠杆菌对CholAlk的强大同化作用。因此，Alk+门是根据在E. cop胆盐样本中检测到的荧光信号来定义的。使用从未标记粪便样本中分离的微生物定义Alk-门。使用Alk+和Alk-群体的参数，通过FACS分离饮食衍生的胆固醇相互作用和非相互作用群体，并通过显微镜检查证实群体被适当分离 (图1d)。

非靶向代谢组学可识别微生物群相关的胆固醇转化。 在进行FACS辅助处理的同时，如Lee等人所述，采集并制备了喂食胆固醇或CholAlk的小鼠的盲肠内容物，以通过反相液相色谱结合高分辨率质谱 (LC-MS)进行分析。使用代谢组学软件套件中的XCMS软件包进行比较分析。在阳性模式中检测到的几个主要特征反映了在分离的大肠杆菌培养物中检测到的特征，从而验证了肠道微生物群主动将CholAlk转化为coprostanolAlk (胆甾醇) (图3a)。此外，这确定了CholAlk是胆固醇的合适替代物，以监测肠道微生物中A环 (或许更一般地说是类固醇核心)的转化。对未识别特征的串联质谱 (MS/MS)分析显示片段为96.9595，表明硫酸盐丢失。总体而言，比较代谢组学分析初步确定该特征为含炔烃的CholSulf (胆固硫)，表明肠道微生物促进胆固醇向CholSulf的转化。我们之所以选择关注胆固醇向CholSulf的微生物转化，是因为它符合上述适用于进一步研究的饮食胆固醇微生物转化标准。

多形拟杆菌通过肝门静脉循环将CholSulf吸收给宿主组织。  为了了解 CholSulf 的微生物组产生如何在具有常规胆固醇代谢的小鼠模型中促进宿主代谢，我们使用CholAlk在多形拟杆菌培养物中标记CholSulf并将这些菌株口服引入小鼠。我们既往使用过这种技术来了解棕榈酸衍生的细菌脂质向宿主组织的转移。BtΔtdk (WT)菌株容易产生胆蛋白酶-亚硫酸盐，而无磺转移酶的菌株BtΔtdkΔ0416 (KO)则不会。当口服引入小鼠时，在WT-灌胃小鼠的肝门静脉循环中观察到多形拟杆菌衍生的胆甾醇-亚硫酸盐，而在KO-管饲小鼠中未观察到 (图6)。该观察结果表明，饮食胆固醇的微生物依赖性转化可通过与细菌来源的CholSulf直接相互作用来影响宿主途径。

结论及展望

在本研究中，我们进行了生物正交标记排序序列光谱法，以分析胆固醇特异性宿主微生物相互作用。小鼠暴露于胆固醇的炔烃功能化变体，粪便样本的16S核糖体RNA基因扩增子测序鉴定了来自拟杆菌属、双歧杆菌属、肠球菌属和对羟基拟杆菌属的饮食源性胆固醇相互作用微生物。鸟枪法宏基因组分析提供了食源性胆固醇相互作用微生物的物种水平分离，并富集了胆汁酸样和磺基转移酶样活性。使用非靶向代谢组学，我们确定胆固醇通过酶BT_0416以类杆菌特异性方式转化为胆固醇硫酸盐。与野生型小鼠相比，使用缺乏Bt_0416的多形拟杆菌进行单克隆的小鼠显示出宿主胆固醇和胆固醇硫酸盐发生了改变，从而确定了胆固醇先前未表征的微生物群转化以及微生物群依赖性影响宿主表型的机制。此外，在拟杆菌属中对胆固醇反应性磺基转移酶的鉴定表明了改变微生物组特异性胆固醇代谢的饮食依赖性机制。总的来说，我们的工作发现了许多与胆固醇相互作用的微生物，这些微生物对更精确的微生物组意识调节宿主胆固醇稳态具有影响。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41564-022-01195-9

转自：“医学科研小坑”微信公众号

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