科研丨Nature子刊: 口服Blautia wexlerae可通过肠道菌群代谢重塑改善肥胖和2型糖尿病

编译：微科盟溧阳，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读   

肠道微生物组是各种疾病的重要决定因素。本研究对日本成年人进行了一项横断面研究，并将Blautia属，特别是Blautia wexlerae确定为与肥胖和2型糖尿病(T2DM)呈负相关的共生细菌。口服B. wexlerae可诱导小鼠代谢发生变化，并具有抗炎作用，从而降低高脂饮食引起的肥胖和糖尿病。B. wexlerae的有益作用与独特的氨基酸代谢有关，产生S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱、L-鸟氨酸和碳水化合物，导致支链淀粉的积累及琥珀酸、乳酸和乙酸的产生，同时改变肠道细菌组成。这些研究结果揭示了宿主和微生物代谢的独特调控途径，可能为代谢疾病的预防和治疗提供新的策略。  

论文ID

原名：Oral administration of Blautia wexleraeameliorates obesity and type 2 diabetes via metabolic remodeling of the gut microbiota

译名：口服Blautia wexlerae可通过肠道菌群代谢重塑改善肥胖和2型糖尿病

期刊：Nature Communications

IF：17.694

发表时间：2022.8.18

通讯作者：Jun Kunisawa

通讯作者单位：日本国立生物医学创新、健康与营养研究所(NIBIOHN)

DOI号：10.1038/s41467-022-32015-7

实验设计

结果

1. 日本队列研究 

本研究开展了一项横断面研究，以217名受试者为发现队列，评估日本成年人肠道菌群与肥胖或T2DM间的关系。多元回归分析显示，肠道菌群与BMI(R2=0.32)和T2DM(R2=0.29)具有高度相关性。多元回归分析显示了肥胖人群肠道菌群发生了变化，有16个属与BMI相关，根据单回归分析的r平方评分选取了其中11个属(图1a)。同样地，结合多元/单因素逻辑回归分析，发现有8个属在T2DM患者和非糖尿病患者肠道菌群间存在差异(图1b)。肥胖(根据日本肥胖研究学会的指南，BMI≥25)和T2DM通常与Blautia、Faecalibacterium和Butyricicoccoccus丰度降低以及Megasphaera丰度增加有关(图1c)。Faecalibacterium和Butyricicoccoccus是已知的产丁酸菌，先前的研究表明，Faecalibacterium在人类和动物中都有潜在的有益作用。尽管有几项研究探究了Blautia在肥胖和T2DM发生发展中的作用，但目前尚无明确的结果。因此，通过计算优势比(OR)来评估Blautia对肥胖和T2DM的影响，发现Blautia丰度与肥胖和T2DM的ORs呈负相关(图1d)。通过16S rRNA扩增子测序分析，发现Blautia的相对丰度也有类似的趋势。值得注意的是，因为Blautia在日本人群中对肥胖和T2DM具有高度判别性，我们随后将这项研究的重点放在了Blautia在控制肥胖和糖尿病中的作用。接下来，我们研究了除肥胖和T2DM以外的年龄、性别和药物(如二甲双胍)等其他因素是否影响Blautia丰度，结果未发现Blautia与这些因素相关。此外，我们从年龄和性别分布相似的研究中筛选了非糖尿病和T2DM患者的肠道微生物数据集。结果发现，与T2DM患者相比，非糖尿病患者肠道中Blautia丰度显著增加，这表明年龄和性别等因素几乎不会对分析结果产生混杂作用。为了确认Blautia丰度与肥胖之间的关系，进行了另一项纳入195名受试者作为验证队列的横断面研究，该验证性研究重现了我们发现研究的结果，特别是肥胖人群肠道中Blautia丰度降低，以及年龄和性别的混杂作用很小。随后，使用代表性操作分类单元(OTUs)的序列作为BLASTN的查询内容，探究Blautia属的哪些物种与肥胖和T2DM呈负相关。发现三个Blautia物种B. wexlerae、B. glucerasea和B. stercoris。其中，B. wexlerae，特别是OTU GQ448486.1.1387占主要优势，其相对丰度总体上与Blautia整体几乎相等(图1e)。总之，这些发现表明B. wexlerae可能是一种可能改善肥胖和T2DM的候选肠道微生物。

图1 

日本成年人与身体质量指数(BMI)和2型糖尿病(T2DM)相关的肠道细菌属。与BMI相关细菌属(a)；与T2DM相关细菌属(b)；与BMI和T2DM均相关的细菌属(c)；Blautia丰度在肥胖和T2DM发展中的优势比(d)；(e)根据代表性OTU序列的BlastN分析鉴定Blautia物种。

2. B. wexlerae可调节高脂饮食诱导的小鼠肥胖和糖尿病表型   

鉴于人群队列研究结果，我们使用小鼠模型验证了B. wexlerae在肥胖和糖尿病中的因果关系。与喂食标准饲料(CD小鼠)的正常小鼠相比，喂食高脂饮食的肥胖老鼠(HFD小鼠)体重增加，睾丸周围脂肪堆积，附睾脂肪组织(eAT)重量增加(图2a-c)。在HFD喂养之前，服用B. wexlerae对小鼠体重增加、食物或能量消耗没有影响。然而，与不补充B. wexlerae的高脂饮食小鼠相比，补充B. wexlerae可避免小鼠肥胖，同时减少体重增加和脂肪堆积(图2a-c)。这些结果表明，B. wexlerae在预防肥胖方面具有一定的潜力。 接下来，我们探究了肥胖引起的糖尿病相关病理。与CD小鼠相比，HFD小鼠在禁食条件下血糖和胰岛素水平以及胰岛素抵抗指数HOMA-IR水平升高(图2d)；而B. wexlerae可降低HFD小鼠的这些糖尿病指标(图2d)。在葡萄糖耐量试验中(IPGTT)，CD小鼠腹腔注射葡萄糖后，血液中胰岛素出现短暂增加，随后恢复到原来的水平(图2e)。相比之下，注射葡萄糖对HFD小鼠胰岛素水平没有影响(图2e)，但高脂饮食并补充B. wexlerae小鼠的血液胰岛素变化表现出与CD老鼠类似的情况。与这些结果一致，补充B. wexlerae的HFD小鼠注射葡萄糖后血糖升高趋势与CD小鼠一致(图2f)。eAT中的炎症能够增加肥胖诱发糖尿病的风险。因此，我们对HFD小鼠的eAT进行了组织学分析，发现巨噬细胞聚集成“冠状结构”，这是炎症的组织学标志(图2g)。与B. wexlerae对糖尿病发病的抑制作用相一致，服用B. wexlerae的HFD小鼠eAT中巨噬细胞积累较少(图2g)。此外，B. wexlerae可降低HFD小鼠eAT中巨噬细胞数量，尤其是促炎M1样巨噬细胞(图2h)。同样地，RT-qPCR分析表明，服用B. wexlerae的HFD小鼠eAT中，MAF中TNF-α(编码炎症细胞因子)和S100a8(编码招募巨噬细胞的趋化因子)的表达水平降低(图2i)。因此，B. wexlerae干预不仅能抑制高脂饮食喂养小鼠的体重增加，还能抑制eAT的炎症反应，这至少部分解释了B. wexlerae对糖尿病的抑制作用。

图2. 

B. wexlerae干预可改善高脂饮食诱导的小鼠肥胖和糖尿病。(a)标准饲料组(CD)、服用或不服用B. wexlerae高脂饮食小鼠每周体重变化。(b)不同处理代表性小鼠图片。(c)代表性小鼠图片及eAT重量。(d)不同处理下小鼠胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)。采用腹腔葡萄糖耐量试验(IPGTT)监测血清胰岛素水平(e)、血糖(f)。eAT免疫组织学分析(g)及eAT中巨噬细胞的数量(h)。(I)不同处理下eAT成熟脂肪细胞组织中TNF-α水平和S100a8基因表达比较；CD，喂食标准鼠粮；HFD，高脂饮食喂养；HFD + Bw，HFD喂养同时服用B. wexlerae；*P<0.05，**P < 0.01；单因素方差分析。 

3.  B. wexlerae 的代谢物通过脂肪细胞抑制炎症和脂肪生成 

通过体外分化的脂肪细胞检测B. wexlerae是否可能调节促炎细胞因子的产生。在3T3L1前脂肪细胞体外分化为脂肪细胞的过程中，用B. wexlerae培养的上清液处理3T3L1细胞。结果发现，未用B. wexlerae上清液处理的3T3L1细胞和用B. wexlerae上清液处理的3T3L1细胞的Ppar1水平相似，Ppar，是一种用于脂肪细胞分化的转录因子(图3a)，这表明B. wexlerae产生的存在于培养基上清液中的分子不影响脂肪细胞分化。在相同的实验条件下，经B. wexlerae上清液处理的3T3L1细胞可降低S100a8的表达(图3a)，而对TNF-α的表达影响不大，这表明B. wexlerae产生的代谢物抑制了脂肪细胞中S100a8的表达。多项研究表明线粒体功能受损与糖尿病发病机制或炎症有关，因此，我们评估了核呼吸因子1(Nrf1)的基因表达，这是一种用作线粒体生物发生标志物的转录因子，发现B. wexlerae上清液处理后3T3L1脂肪细胞中Nrf1的表达增加(图3a)。与这些基因表达数据一致，B. wexlerae上清液处理的3T3L1脂肪细胞中线粒体质量和线粒体基础呼吸耗氧量也增加(图3b，c)，具体表现为线粒体质子泄漏增加，ATP合成减少，但不影响糖酵解，这表明线粒体解耦以促进能量消耗。此外，我们还研究了脂质代谢，发现3T3L1细胞分化后在细胞质中形成脂滴，通过油红O染色检测到。这与我们的体内实验结果一致(图2c)，B. wexlerae上清液处理后3T3L1脂肪细胞以剂量依赖性方式减少脂质积累(图3d)。事实上，与CD小鼠相比，HFD小鼠的eAT的MAF中Nrf1的表达降低，而摄入B. wexlerae使HFD小鼠Nrf1的表达增加(图3e)，表明肥胖小鼠的线粒体代谢发生了改变。因此，我们通过液相色谱-质谱(LC-MS/MS)检测eAT中MAT的能量代谢。结果发现，与CD小鼠相比，HFD小鼠中与糖酵解(乳酸)和TCA循环(柠檬酸、异柠檬酸和琥珀酸)相关的代谢物减少(图3f)，表明与肥胖和糖尿病相关的代谢发生异常，这与之前的研究结果相似。B. wexlerae干预对HFD喂养小鼠的乳酸或柠檬酸水平没有影响，但增加了异柠檬酸和琥珀酸水平(图3f)，表明B. wexlerae能促进脂肪组织的能量代谢。这一结果也在摄入B. wexlerae的HFD小鼠eAT的MAF中乙酰-L-肉碱(线粒体内膜的一种成分)增加得到验证(图3g)。这些结果共同表明，B. wexlerae产生的代谢物可能改变宿主的炎症反应和能量代谢。接下来，我们在肌肉和肝脏中组织中进一步探索了这种机制。无论饮食类型或是否服用B. wexlerae，各组小鼠腓肠肌中糖酵解和TCA循环相关代谢物相似。相反，与CD小鼠相比，HFD小鼠肝脏中的乳酸、柠檬酸和琥珀酸水平降低，而服用B. wexlerae没有改变HFD小鼠的乳酸和柠檬酸水平，但增加了琥珀酸水平。因此，脂肪组织和肝脏表现出相似的代谢变化，特别是琥珀酸的积累，这是产热的代谢特征，表明B. wexlerae促进了HFD小鼠脂肪组织和肝脏的能量消耗。 作为控制肥胖和糖尿病的潜在靶点，微生物通过调节宿主释放肠道激素如GLP-1，影响宿主代谢和能量稳态，但HFD小鼠的血清GLP-1水平在B. wexlerae干预组和未干预组之间没有区别。另一个潜在的目标是能量释放，表现为每种饮食的能量含量，HFD小鼠粪便中排出的能量高于CD小鼠，但B. wexlerae干预对HFD小鼠的能量排泄没有影响。此外，无论是否服用B. wexlerae，HFD小鼠都表现出相似水平的自发活动。

图3. 

B. wexlerae代谢物在脂肪细胞中表现出抗炎和抗脂肪生成的特性，并改变线粒体代谢。(a)在3T3L1前体脂肪细胞和脂肪细胞中检测Pparγ、Nrf1和S100a8的基因表达。经过或未经B. wexlerae培养上清处理的3T3L1脂肪细胞中线粒体质量(b)、耗氧率(OCR) (c)和脂质积累量(d)。Nrf1基因在小鼠eAT MAF中的表达(e)。LC-MS/MS测定小鼠eAT MAF中糖酵解(乳酸)和TCA循环(柠檬酸、异柠檬酸和琥珀酸)的代表性代谢物(f)。LC-MS/MS测定小鼠eAT MAF线粒体内膜成分乙酰肉碱的含量(g)。*P<0.05，**P < 0.01；单因素方差分析。 

4. B. wexlerae 的代谢途径及其独特的代谢物 

为了鉴定出对控制肥胖和糖尿病有益的B. wexlerae代谢物，试图根据遗传信息揭示Blautia代谢的独特性。使用iPATH3.038比较了我们人类数据和健康日本个体中的主要肠道菌属，即Blautia(KEGG生物代码:rob)、Bacteroides(KEGG生物代码:bvu)和Faecalibacterium(KEGG生物代码:fpr)中KEGG orthologous的存在。共鉴定到61个Blautia特有的KEGG同源组，在TargetMine代谢通路图中识别出10个富集通路(P < 0.01)。综上，这些结果表明Blautia在氨基酸、碳水化合物和核苷酸代谢方面存在独特性。 随后，我们通过LC-MS/MS分析了B. wexlerae培养的上清液。火山图分析结果显示，在B. wexlerae上清液中，有7种代谢物的含量比未培养的上清液增加了4倍以上(图4a)。此外，在这7种代谢物中，与其他主要肠道细菌(如Bacteroides vulgatus、Prevotella copri、Faecalibacterium prausnitzii)培养的上清液相比，在B. wexlerae上清液中检测到高水平的S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱和L-鸟氨酸(图4b)。 在S-腺苷甲硫氨酸循环中，B. wexlerae似乎通过同型半胱氨酸和蛋氨酸等中间体将胞外S-腺苷同型半胱氨酸转化为S-腺苷甲硫氨酸，尽管其它肠道细菌也同样吸收S-腺苷同型半胱氨酸进入细胞，但其后续代谢途径似乎在微生物中有所不同。虽然F. prausnitzii的作用途径尚不清楚，但B. vulgatus和P. copri是通过S-腺苷同型半胱氨酸产生同型半胱氨酸和半胱氨酸，而不是通过S-腺苷甲硫氨产生二者。乙酰胆碱通常由丝氨酸经乙醇胺和胆碱生物合成，事实上，在B. wexlerae上清液中，丝氨酸含量下降，而胆碱没有下降，这表明B. wexlerae可能只利用细胞外丝氨酸来合成乙酰胆碱。此外，瓜氨酸、精氨酸和鸟氨酸是尿素循环的中心代谢物。与其它主要肠道细菌相比，B. wexlerae上清液中瓜氨酸和精氨酸含量降低，表明B. wexlerae完全利用胞外瓜氨酸和精氨酸产生L-鸟氨酸。因此，B. wexlerae在氨基酸合成方面具有独特的代谢特征，从而产生独特的代谢物。S- 腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱和L-鸟氨酸具有抗炎特性，能改变宿主代谢的某些方面，如脂质代谢，这表明这些化合物是调节肥胖和糖尿病的潜在代谢物。为了验证这一假设，我们研究了这些代谢物对3T3L1脂肪细胞的影响。结果表明，用S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱或L-鸟氨酸处理这些细胞后，脂质积累呈剂量依赖性(图4c)；而S-腺苷甲硫氨酸也能抑制S100a8的表达(图4d)。尽管做了几次尝试，我们还是没有在人或小鼠血清中发现S-腺苷甲硫氨酸或乙酰胆碱。这种功能障碍可能是由于这些代谢物的半衰期短：S-腺苷甲硫氨酸在几小时内通过多种机制从血液中清除，包括代谢降解、尿液排泄和转移到器官；乙酰胆碱由于被胆碱酯酶快速降解，在血液和身体其他部位的半衰期约为2分钟。此外，虽然服用B. wexlerae增加了HFD小鼠粪便中L-鸟氨酸的含量，但血清中L-鸟氨酸的含量在CD小鼠和服用或未服用B. wexlerae的HFD小鼠中相当。口服补充的L-鸟氨酸通过宿主氨基酸和尿素代谢途径转化为多种代谢物，表明外源性L-鸟氨酸似乎用于宿主代谢，而不是以其原生形式参与循环。在人类中，还没有发现Blautia丰度与血清或粪便L-鸟氨酸水平之间的关系，这可能是因为它们受多种因素的影响，包括饮食习惯、年龄和尿素循环。虽然需要进一步研究这些代谢动力学，以及它们如何影响不同的器官，如肠道中的脂肪组织，但B. wexlerae产生的生物活性代谢物可能在一定程度上解释了其对健康的有益影响。

图4. 

Blautia wexlerae在氨基酸代谢方面表现出独特的特征，如产生S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱和鸟氨酸。(a)火山图表示B. wexlerae培养上清的LC-MS/MS分析，红点和蓝点分别表示代谢物增加和减少；(b)B. wexlerae(Bw)、Bacteroides vulgatus(Bv)、Prevotella copri(Pc)和Faecalibacterium prausnitzii(Fp)中S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱和鸟氨酸含量；有/无S-腺苷甲硫氨酸，乙酰胆碱和L-鸟氨酸处理的3T3L1脂肪细胞中脂质的积累(c)和S100a8基因表达(d)；**P<0.01，单因素方差分析。 

5. B. wexlerae对小鼠的肠道环境有一定的影响 

为了确定除与氨基酸代谢相关的其他控制肥胖和糖尿病的B. wexlerae候选分子，进行了全面的拉曼光谱分析，同时检测了多个不被标记的分子。B. wexlerae、B. vulgatus、P. copri和F. prausnitzii作为对照信号，其总蛋白的拉曼光谱是相同的(图5a)。采用多元曲线分辨率分析提取B. wexlerae的光谱特征。该光谱在480 cm-1处有一个尖锐的峰，在800-1500 cm-1区域观察到几个属于碳水化合物的拉曼波段。这些波段都属于直链淀粉和支链淀粉。相应的强度图像显示，这些多糖在B. wexlerae和F. prausnitzii细胞中大量积累，而在B. vulgatus和P. copri细胞中仅少量积累(图5a)。细胞内平均强度图也显示出与单细胞变化相同的趋势，说明部分B. wexlerae细胞积累量较大。淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，是葡萄糖单位的聚合物。B. wexlerae、B. vulgatu、P. copri和F. prausnitzii的直链淀粉含量相近(图5b)。相反，与B. vulgatus和P. copri相比，B. wexlerae中支链淀粉含量较高，但与F. prausnitzii相似(图5b)。与这些发现一致，基因组信息(GenBank登录号：CZAW01000000)表明B. wexlerae具有葡萄糖和蔗糖从头合成淀粉所必需的代谢酶。因此，在B. wexlerae观察到的高水平的淀粉含量可能是由于其高支链淀粉含量。 细菌代谢直链淀粉和支链淀粉产生了多个SCFAs和基因组信息(GenBank登录号为：CZAW01000000)表明，B. wexlerae保留了生成琥珀酸、乳酸和乙酸所需的多种酶，但缺乏生成丙酸和丁酸的途径。事实上，与普通培养基相比，B. wexlerae培养的上清液中琥珀酸、乳酸和乙酸的含量明显增加，丙酸和丁酸的含量二者间相似(图5c)。此外，在B. wexlerae上清液中，琥珀酸浓度高于P. copri和F. prausnitzii，而与B. vulgatus类似(图5c)。同时，B. wexlerae培养的上清液中乳酸和乙酸含量高于其他细菌(图5c)。这些发现共同表明B. wexlerae能够利用储存的淀粉(即支链淀粉)并产生大量的琥珀酸、乳酸和乙酸。 由于交叉喂养(如丁酸产生菌对乙酸的利用)是肠道细菌代谢重要的相互作用，我们接下来检测了小鼠粪便样本中各种SCFAs的浓度。结果显示，与CD小鼠相比，HFD小鼠粪便中丙酸和丁酸含量有所减少，乙酸含量明显减少(图5d)。与此相反，服用B. wexlerae使HFD小鼠粪便中乙酸、丙酸和丁酸的含量增加(图5d)。所有小鼠粪便中都没有检测到琥珀酸或乳酸。综上所述，B. wexlerae不产生丙酸和丁酸，但为其他肠道共生细菌提供了丁酸、乳酸和乙酸等底物，从而导致粪便中丙酸和丁酸水平的增加。 此外，考虑到B. wexlerae对肠道其他共生菌组成的影响，通过16S rRNA测序分析检测了小鼠粪便细菌组成。与以前研究结果一致，主坐标分析(PCoA)显示HFD小鼠和CD小鼠之间的肠道细菌组成存在差异(图5e)。与HFD小鼠相比，服用B. wexlerae的HFD小鼠的菌群与CD小鼠更接近(但仍不同于CD小鼠；P<0.01，HFD vs HFD+Bw；图5e)。 与CD小鼠相比，HFD小鼠肠道中Blautia丰度减少，与肥胖人群肠道中Blautia的丰度一致。qPCR分析也表明，B. wexlerae干预并不影响其自身丰度。结果表明，在目前实验条件下，服用B. wexlerae不能使其定殖于小鼠肠道，可能是因为生态位已经被肠道共生细菌占据，包括现有的Blautia。 线性判别分析显示，未服用B. wexlerae HFD小鼠与服用B. wexlerae HFD小鼠的肠道菌群存在差异(图5f)。在属水平上，与服用B. wexlerae的HFD小鼠相比，Lachnospiraceae NK4A136在HFD小鼠肠道中增加，并与CD小鼠相似。相反，Rikenellaceae RC9和Alistipes在HFD小鼠肠道中所占比例较CD小鼠有所降低；HFD小鼠补充B. wexlerae后，这些微生物含量增加到与CD小鼠相似的水平。此外，与CD小鼠相比，HFD小鼠中Akkermansia的比例有所增加，而补充B. wexlerae后小鼠肠道中Akkermansia的比例进一步增加。因此，B. wexlerae可能通过增加肠道细菌组成来增加SCFA的产生能力。如Rikenellaceae RC9、Alistipes和Akkermansia，这些菌都会产生丙酸、丁酸或者两者都产生。Akkermansia已被证明对代谢有益，它在补充B. wexlerae的HFD小鼠肠道菌群中比例的增加可能支持了其有益作用，同时表明Akkermansia的增加是由B. wexlerae产生的代谢物介导的。事实上，乳酸和乙酸促进了A. muciniphila的生长，长期服用乳酸或乙酸产生菌(如乳杆菌和双歧杆菌)可以增加Akkermansia丰度。 这些来自小鼠实验的结果为我们分析人类数据提供了借鉴。在日本受试者队列发现的15种与肥胖和T2DM相关的细菌中(图1)，Blautia与多个属呈正相关，尤其是产丁酸菌Butyricicoccus(图6a，b)。这一关系表明，Blautia可能会与其他肠道细菌共同影响肠道环境，如SCFA的产生。为了验证这一假设，我们研究了B. wexlerae代谢物对Butyricicoccus faecihominis生长和SCFA产生的影响(图6c)。 厌氧条件下培养B. faecihominis并监测其在595 nm下的吸光值。B. faecihominis在48 h的吸光值随B. wexlerae培养上清液添加量的增加而增加(图6d)。与这一发现一致，补充乙酸(由B. wexlerae产生)同样促进了B. faecihominis生长(图6e)。此外，添加B. wexlerae上清液或乙酸均可增加B. faecihominis产丁酸量(图6f)。这些结果表明，B. wexlerae与肠道内产丁酸菌B. faecihominis之间存在代谢相互作用；这种相互作用反过来可能改善肠道环境的各个方面，如丁酸的产生。

图5. 

B. wexlerae对小鼠肠道的影响，包括肠道菌群组成和粪便短链脂肪酸(SCFA)含量的改变。(a)B. wexlerae(Bw)、Bacteroides vulgatus(Bv)、Prevotella copri(Pc)和Faecalibacterium prausnitzii(Fp)中蛋白质和淀粉的拉曼光谱分析以及淀粉(直链淀粉和支链淀粉)含量(b)；(c)普通培养液和B. wexlerae培养的上清液中琥珀酸、乳酸、乙酸、丙酸和丁酸的浓度；(d)小鼠粪便中短链脂肪酸含量(*P < 0.05，单因素方差分析)；(e)在属水平上，基于Bray-Curtis距离对小鼠粪便细菌组成进行主坐标分析(PCoA)；(f)根据线性判别分析(LDA)对是否进行B. wexlerae干预的HFD小鼠肠道差异菌进行分类。

图6. 

B. wexlerae与产丁酸菌的相互作用。(a)人体肠道细菌相关关系的热图，红色和蓝色字体分别表示与BMI/T2DM呈正或负相关的细菌属；(b)人类肠道中Blautia丰度与Butyriciccoccus丰度呈正相关；(c)根据代表性OTU序列估计Butyriciccoccus的种类；(d)Butyricicoccus faecihominis在含有0%、1%或10%的B. wexlerae培养基中的吸光度；(e)B. faecihominis在不含/含有10 mM琥珀酸、10 mM乳酸或10 mM乙酸培养基中的吸光度。(f)在不含/含有10%、10 mM琥珀酸、10 mM乳酸或10 mM乙酸的B. wexlerae培养上清液的情况下，B. faecihominis培养基中丁酸的浓度。

讨论

通过人类队列数据和动物实验，我们已经证明了B. wexlerae降低患肥胖和T2DM疾病风险的潜力。人类队列研究表明，在日本成年受试者肠道中B. wexlerae与降低肥胖和糖尿病风险有关。其可能的潜在机制是，B. wexlerae含有几种氨基酸代谢物(即S-腺苷甲硫氨酸、乙酰胆碱、L-鸟氨酸)，赋予脂肪细胞抗脂肪生成和抗炎特性。此外，B. wexlerae含有大量淀粉(即支链淀粉)，并产生代谢物(即琥珀酸、乳酸、乙酸)从而改变肠道环境，包括肠道菌群和SCFAs组成。因此，B. wexlerae通过这些复杂的变化可能为维持健康方面发挥了有益作用。 越来越多的证据表明，几种肠道菌群与肥胖和T2DM有关。例如Bifidobacterium、Faecalibacterium、Roseburia和Akkermansia与肥胖和T2DM呈负相关，可能作为益生菌对人类健康有益。事实上，在日本队列研究中，Bifidobacterium和Faecalibacterium都是与BMI或T2DM呈负相关的有益菌。虽然Megasphaera和Ruminococcus的报道频率低于Bifidobacterium和Faecalibacterium，但它们都与肥胖或T2DM相关，这也与我们的结果一致。 先前几项人群试验虽然表明肠道中Blautia与肥胖和T2DM有关，但Blautia是否加重或减轻这些疾病尚不清楚。例如，在俄罗斯受试者中，葡萄糖代谢紊乱，如空腹血糖水平高，与Blautia丰度增加有关。相反，欧洲的一项研究发现，Blautia与肥胖或T2DM之间没有显著的相关性。然而，西班牙的一项关于儿童微生物及其与肥胖背后的代谢并发症的相关性研究显示，包括Blautia在内的B. wexlerae与正常体重相关，并与粪便炎症细胞因子如TNF-α呈负相关。此外，先前一项日本队列研究报告发现，Blautia与内脏脂肪面积呈显著负相关，并与性别无关。这些研究的不一致性，可能是由于人类肠道微生物组成的差异性。事实上，与其它国家相比，日本人的肠道菌群中Blautia的丰度更高，涉及日本受试者的研究一致表明Blautia对人体是有益的。此外，在种水平上，Blautia属包括若干OTUs；B. wexlerae的OTU GQ448486.1.1387在日本队列中占优势，但我们更想知道其它地区中哪些物种比较丰富。鉴于我们目前的研究，在B. wexlerae中发现了多种潜在的促进健康的分子，因此通过探究菌株间产生有益代谢物能力的差异，可能会解释在其他研究中结果的不一致性。 在此基础上，我们鉴定出了几种B. wexlerae的氨基酸代谢物，这些代谢物有助于控制肥胖和糖尿病的发生。乙酰胆碱是一种神经递质和α-7乙酰胆碱受体的激动剂，也是治疗炎症性疾病(包括T2DM和肥胖)的有效靶点。此外，胃肠道中存在许多中枢神经递质，其作用包括调节肠道运动和细胞信号传导。肠道菌群失调与肠道中这些神经递质水平的降低有关，这表明肠道微生物是神经递质的重要生产者。虽然Lactobacillus plantarum(从酸菜中分离得到)能够合成乙酰胆碱，但此前没有发现人类肠道存在产生乙酰胆碱的细菌。本研究发现人类肠道细菌B. wexlerae能够产生乙酰胆碱，或许可以作为未来研究乙酰胆碱合成途径的潜在方向。 本研究鉴定到另一个B. wexlerae的氨基酸代谢物是L-鸟氨酸；它的有益作用包括作为尿素循环的中间体参与氨解毒，以及调节宿主的脂质代谢。有趣的是，尽管L-鸟氨酸是一种维持健康所必需的营养物质，但从普通饮食中很难获得人体所需的L-鸟氨酸，大多数食物的L-鸟氨酸含量很少。据报道，肠道细菌的缺乏会影响小鼠肝脏L-鸟氨酸的动态平衡。这些发现和我们目前的结果共同支持了肠道细菌(包括Blautia)产生的L-鸟氨酸在维持健康方面的重要性。 S-腺苷甲硫氨酸是B. wexlerae产生的第三种代谢物，作为生物甲基化的甲基供体，有助于预防糖尿病、肥胖和炎症。此外，腺苷甲硫氨酸用于治疗抑郁症、骨关节炎和肝病。由于S-腺苷甲硫氨酸是一种重要的保健物质，这种代谢物和产生它的微生物在制药和食品工业中的应用引起了人们的注意。然而，肠道细菌产生和供应S-腺苷甲硫氨酸的机制尚不清楚。我们发现B. wexlerae能够产生S-腺苷甲硫氨酸、L-鸟氨酸和乙酰胆碱，共同表明肠道菌群的氨基酸代谢在代谢紊乱(如肥胖和T2DM)的发生及其预防和治疗策略中的重要性。 淀粉是饮食中碳水化合物的主要形式之一，可消化淀粉在小肠内被酶分解，然后被吸收。相反，不可消化的抗性淀粉进入结肠后，通过改变肠道环境(如短链脂肪酸条件)，引起生理反应，包括改善葡萄糖耐量和胰岛素反应。植物食物中不易消化的成分，如细胞壁，是膳食纤维的丰富来源。在本研究中，我们发现B. wexlerae含有高浓度的淀粉，尤其是支链淀粉。我们认为，当使用含有B. wexlerae的益生菌时，B. wexlerae中浓缩的淀粉就像“细菌纤维”一样影响肠道环境，很像植物提供的膳食纤维。事实上，喂食B. wexlerae影响了小鼠肠道微生物组成，增加了粪便中丙酸和丁酸水平，尽管B. wexlerae本身不能产生这些SCFAs。除了提供淀粉外，B. wexlerae还通过碳水化合物代谢产生琥珀酸、乳酸和乙酸。乙酸被丁酸产生菌利用，生产丁酸盐。事实上，我们目前的研究还揭示了B. wexlerae对Butyricicoccus产生丁酸的协同作用。肠道细菌也利用琥珀酸和乳酸，将它们转化为丙酸或丁酸。在这方面，B. faecihominis除产生丁酸外，还产生丙酸，但水平较低，而补充琥珀酸可促进丙酸的产生。在细菌交叉喂养方面，Bifidobacterium能产生乙酸和乳酸，但不提供琥珀酸。B. wexlerae除了产生乙酸和乳酸外，还产生琥珀酸，它似乎是驱动肠道代谢的关键微生物。总体而言，B. wexlerae的碳水化合物代谢似乎改善了肠道环境，促进代谢紊乱的改善。 由于人群研究的观察性质，B. wexlerae能否减少人类的肥胖和糖尿病还不清楚，因此需要后续进一步的干预和其他研究。考虑到世界各地的生活方式、宿主代谢和常驻肠道菌群的差异，我们的发现是否适用于全球还需要确定。此外，我们的饮食诱导小鼠模型是一种胰岛素抵抗和糖尿病前期模型，我们发现的Blautia相关的抗糖尿病作用应该用T2DM模型(如链脲佐菌素诱导模型和各种基因缺陷小鼠品系)来验证。在这种饮食诱导的模型中，由于雄性小鼠更容易发生饮食诱导的体重增加和糖尿病病理，所以一般使用雄性小鼠，但在未来包括人类在内的研究中，还需要检验B. wexlerae对性别的影响。与之前的研究相同，老鼠禁食16小时，这可能是过量的，从而诱导了在饥饿期间发生的代谢变化。此外，虽然我们关注的是脂肪组织代谢可能是控制肥胖和糖尿病的机制，但是肝脏在能量代谢中的作用甚至比脂肪组织更大，因此需要更全面的研究，包括使用代谢笼进行评估。最后，即使属于同一物种，不同菌株在基因甚至功能上也不尽相同。我们的研究结果是使用同一菌株型获得的，而临床效果涉及的实际菌株需要分离并进行单细胞分析等评估。尽管存在这些局限性，但我们的发现为了解肠道菌群对整体健康的贡献提供了重要的见解。

结论

综上所述，本研究发现B. wexlerae是一种人类肠道有益菌，具有抗炎特性和改变宿主肠道环境和脂质代谢的能力。关于这些益处的潜在机制，我们阐明了B. wexlerae氨基酸代谢和碳水化合物通路特征，其中多种代谢物似乎协同改善包括肥胖和糖尿病在内的代谢紊乱。肠道菌群在肥胖和T2DM病理生理学中的代谢作用的发现，为开发代谢疾病的预防方法(如益生菌)和治疗方法提供了机会。 

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