JCI:杂食性饮食中左旋肉碱诱导人肠内动脉粥样硬化的微生物途径

2021
06/01

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生物谷
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在历史上,γBB被发现是因为它在哺乳动物中是合成L-carnitine的近似内源性生物合成中间体,它是由赖氨酸产生L-carnitine的多步骤途径。用γBB喂养的小鼠可以产生TMA和TMAO,加速动脉粥样硬化,但仅在肠道微生物存在的情况下。以往,在杂食动物与素食者的口服左旋肉碱代谢过程中,γBB的肠道微生物形成和分解代谢,可以利用γBB作为营养的人类共生体,以及该代谢物与代谢物TMAO途径和CVD的关系尚未被探索。因此,提高对哺乳动物口服左旋肉碱代谢的理解以及肠道微生物依赖过程的潜在参与是相当有意义的。 

基于此,俄亥俄州克利夫兰市医院细胞和分子医学系主任Stanley L. Hazen 教授带领团队对γBB是否是膳食左旋肉碱在人体内肠道微生物分解代谢的主要产物,以及慢性膳食模式(例如,杂食与素食)和左旋肉碱暴露于人体内γBB代谢的关系进行了深刻探索,该项工作以“L-Carnitine in omnivorous diets induces an atherogenic gut microbial pathway in humans”为题发表在《The Journal of Clinal Investigation》杂志上。

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研究方法及结论

为了在杂食者体内明确γBB是否可以由口服l-Carnitine转变而来,并观察肠道菌群在此反应中的潜在作用。杂食者(●)→口服d3-L-Carnitine→血浆d3-L-Carnitine↑→d3-γBB↑、d3-TMAO↑。素食者(○) →一周口服抗生素→口服d3-L-Carnitine→血浆d3-γBB、d3-TMAO均被抑制。(●)与(○)结果相反, (○)血中d9-TMAO被抑制。(○)体内d9-L-carnitine来自d9-γBB,未被抗生素所抑制。血浆d9-γBB浓度在2h达高峰,在8h时明显下降。血中d9-L-carnitine浓度在2~8h期间相对稳定。血中d9-γBB浓度在使用/不使用抗菌素的情况中无差异。杂食者粪便细菌具有更强的酶容量以d3-l-carnitine →TMA。素食者与杂食者的粪便细菌对l-carnitine→γBB无差异。杂食者比素食者,口服l-carnitine→TMA/TMAO明显增多,归因于杂食者肠道菌群可更多地将γBB→TMA。该研究表明肠道菌群代谢l-carnitine→γBB,在杂食者和素食者之间是一样的,而杂食者具有更高的γBB→TMA转化效率 。 36281622503321574饮食中的左旋肉碱以肠道微生物群依赖的方式在人类体内产生γBB

进一步研究发现,杂食者可快产生d3-TMAO,而素食者合成d3-TMAO能力低。1个月后, 杂食者和素食者均同等产生d3-TMAO。2个月后,d3-L-carnitine→d3-TMAO在杂食者中无继续增加,而在素食者中继续增加。7个素食者个体中,有3个人d3-L-carnitine→d3-TMAO增高,而另外4个人中口服d3-L-carnitine 不产生d3-TMAO。长期补充l-carnitine后,杂食者粪便样本对d9-l-carnitine→d9-TMA 和d9-γBB→d9-TMA 生成均强于素食者。L-carnitine→γBB在粪便转化中无差异,但是杂食者粪便转化中γBB→TMA增强,而素食者无增强。发现只有SP2和SP5共同存在下才具有最大TMA生成力。进一步对SP2和SP5进行单克隆分离,发现SP5-56或SP5-62与SP2-71产生最多TMA。以上结果验证了该课题组的假设:至少2个不同的有机体才能在厌氧分解代谢中将L-carnitine→TMA。16S-rRNA鉴定SP5-56和SP5-62均为迟缓埃格特菌。而SP2-71为4个菌株,其中一株为最近新命名的E. timonensis菌,它可在无氧下产生TMA,提示L-carnitine代谢存在一条新的代谢途径,区别于CntA/B加氧酶。

72111622503321678口服L-carnitine,杂食者比素食者,产生更多TMAO,因为肠道菌群对“γBB→TMA”的转化率更高

接下来,研究者发现3种菌均在消耗L-carnitine 同时生成γBB,但不生成TMA。3种菌任一与E. timonensis(SP2-71.3)结合,可消耗L-carnitine并在厌氧下生成TMA和消耗γBB。人类利用L-carnitine需要产生γBB中间体才能生成TMA。为评估以上体外实验是否能代表人体内肠道的情况,对所有的杂食者粪便进行了研究。所有受试者均在12h内将L-carnitine→ γBB,而32h,并非所有受试者都能将γBB转为TMA。而且 γBB形式进行了定量,TMA的生成与γBB的消耗相一致。因此,代谢遵循前体物→产物的关系,并且与L-carnitine→ γBB→TMA完全一致,反应动力学类似于P. penneri和E. timonensis观察的L-carnitine分解代谢动力学。

37931622503321869多种微生物参与了由L-carnitine →TMA的肠道微生物过程

综上所述,在此,该研究团队探讨肠道微生物群在人类γBB生成中的作用,以及先前饮食史和口服L-carnitine对受试者γBB生成和分解代谢TMA/TMAO的影响。最后,该研究团队还鉴定了参与通过γBB的生成和分解代谢将L-carnitine转化为TMA的人类粪便微生物群落成员。 原始出处: 1、Koeth, Robert A et al. “l-Carnitine in omnivorous diets induces an atherogenic gut microbial pathway in humans.” The Journal of clinical investigation vol. 129,1 (2019): 373-387. doi:10.1172/JCI94601; 2、Piccioni, Andrea et al. “Gut Microbiota and Environment in Coronary Artery Disease.” International journal of environmental research and public health vol. 18,8 4242. 16 Apr. 2021, doi:10.3390/ijerph18084242; 3、Cristofori, Fernanda et al. “Anti-Inflammatory and Immunomodulatory Effects of Probiotics in Gut Inflammation: A Door to the Body.” Frontiers in immunology vol. 12 578386. 26 Feb. 2021, doi:10.3389/fimmu.2021.578386

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关键词:
动脉粥样硬化,左旋肉碱,肠道菌群,杂食性,微生物,代谢

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