科研丨MOL METAB: 遗传和环境昼夜节律紊乱通过肠道微生物组的变化导致体重增加

编译：微科盟如风，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读  

人体内部时钟以昼夜节律(24小时)的方式对行为和生理(包括肠道微生物组)进行计时。内部和外部时间不匹配，例如在轮班工作期间，会破坏昼夜节律系统的协调，从而促进肥胖和2型糖尿病(T2D)的发展。相反，体重变化会引起微生物群失调。然而，代谢性疾病中昼夜节律紊乱与微生物群失调之间的关系在很大程度上仍然未知。本研究在两种不同的昼夜节律紊乱模型(Bmal1SCNfl/-和SSW小鼠)中，通过qPCR测定了不同胃肠(GI)组织中的核心和辅助时钟基因表达；评估小鼠身体成分和能量平衡；在Ussing腔内测量肠通透性。通过16S rRNA基因扩增测序、PICRUST2.0分析和靶向代谢组学评估微生物群组成和功能。最后，进行微生物群转移以评估SSW相关微生物群对宿主生理功能的影响。结果表明，这两种生物钟紊乱模型都显示了GI组织内和外周时钟之间的不同步，以及微生物节律性的降低，特别是参与短链脂肪酸(SCFA)发酵和脂质代谢的分类群。在Bmal1SCNfl/-小鼠中，微生物功能节律性的丧失与先前显示的体重增加、葡萄糖稳态失调和肥胖有关。同样，我们观察到SSW小鼠体重增加。与SSW相关微生物群的无菌定殖实验将体重增加与微生物变化联系起来。此外，在受体中观察到与宿主代谢功能相关的外周时钟基因和钟控基因(CCGs)的表达改变，表明微生物群节律性和外周时钟调节之间存在双向关系。综上所述，本研究据表明细菌分类群及其产物的节律性丧失，可能源于肠道时钟的不同步，促进了轮班工作期间的代谢异常。

论文ID

原名：Genetic and environmental circadian disruption induce weight gain through changes in the gut microbiome

译名：遗传和环境昼夜节律紊乱通过肠道微生物组的变化导致体重增加

期刊：Molecular Metabolism

IF：8.568

发表时间：2022.11

通讯作者：Silke Kiessling

通讯作者单位：德国慕尼黑工业大学

DOI号：10.1016/j.molmet.2022.101628

实验设计

结果

1 中枢时钟功能障碍导致胃肠道的昼夜节律不同步

缺乏功能性中枢时钟的小鼠在LD中表现出有节奏的进食行为，尽管振幅比WT低(余弦波回归:p=0.0403，图1A)。将Bmal1SCNfl/-小鼠置于持续黑暗的环境(DD)中时，昼夜食物摄入量的差异消失(图1A)。最近我们发现，DD小鼠的外周时钟，如肾上腺、肝脏、肾脏、心脏、胰腺和白色脂肪组织逐渐不同步。作为全系统昼夜节律不同步的结果，这些小鼠出现肥胖和糖代谢改变。重要的是，代谢稳态部分由昼夜节律系统调节的GI功能控制。为了研究胃肠道外周时钟昼夜节律不同步的程度，我们比较了SCN中缺少主要时钟基因Bmal1的小鼠(Bmal1SCNfl/-)和它们的同窝对照(Bmal1SCN+/−)在DD第2天时空肠、盲肠和近端结肠中的时钟基因表达节律(图1，表1)。昼夜节律分析显示，两种基因型空肠中核心时钟基因Bmal1、Per2和Rev-erbα的表达均遵循昼夜节律振荡(余弦波回归，对照组：p=0.004，p=0.02，p=0.03，Bmal1SCNfl/-: p=0.01，p=0.01，p=0.04)(图1B，表1)。然而，Bmal1SCNfl/-中检测的所有时钟基因的昼夜节律期均显著提前(Bmal1: 2.7h，Per2: 3.6h，Rev-erbα: 5.7h)。此外，Rev-erbα基线降低，余弦回归显示Dbp无明显节律性，但双因素方差分析发现两种基因型存在显著的时间效应(p=0.01)。Bmal1SCNfl/-小鼠的Cry1节律性丧失(Cry1: p=0.009，p=0.42)。在盲肠中，Bmal1SCNfl/-小鼠的所有时钟基因都出现节律性丧失，尽管通过双因素方差分析发现两种基因型存在时间效应(时间:Bmal1 p=0.006，Per2 p=0.002，Rev-erbα p=0.0009，Dbpp=0.03，Cry1 p=0.003)(图1C，表1)。近端结肠中Bmal1、Per2和Cry1基因表达的节律性在基因型间无差异，Rev-erbα的表达幅度显著降低(余弦回归，p=0.02)。与空肠的结果相似，Bmal1SCNfl/-小鼠的Dbp节律性丧失(图1D，表1)。总的来说，这些结果表明，在Bmal1SCNfl/-小鼠中，空肠时钟自由运行的振幅减小，盲肠时钟慢慢失去其功能，而结肠时钟功能正常，尽管振幅减弱。因此，这些数据表明，在中枢时钟功能缺失的情况下，胃肠道时钟发生了严重的破坏，这种破坏出现在进入持续黑暗后的非常早期的阶段。

图1 中枢时钟功能障碍导致胃肠道的昼夜节律不同步。

Bmal1SCNfl/-小鼠(蓝色)及其对照Bmal1SCN+/−(黑色)在LD和DD的2天内的喂食-禁食行为。Bmal1SCNfl/-小鼠(蓝色)及其对照Bmal1SCN+/−(黑色)在空肠(B)、盲肠(C)、近端结肠(D)核心和辅助时钟基因的相对表达。余弦波回归分析的显著节律(p值≤0.05)用实线表示，虚线连接的数据表示无节律性。N=3-4只小鼠/时间点/基因型。在食物摄入方面，我们设置12只小鼠每组/时间段/光照条件。双因素方差分析用于评估组间和昼夜间的差异，P值* ≤0.05，**≤0.01，***≤0.001，****≤0.0001，数据用平均值±SEM表示。

表1 基于余弦回归分析的Bmal1SCNfl/-小鼠和对照组胃肠道核心和辅助时钟基因表达的相位、振幅、基线和节律性结果汇总。粗体p值表示基因型间差异显著。

2 SCN特异性Bmal1-缺陷小鼠菌群节律性的破坏

GI时钟和食物摄入是昼夜微生物群波动的重要调节因子，从而平衡GI稳态。这促使我们确定Bmal1SCNfl/-小鼠的昼夜节律不同步是否会影响昼夜微生物群的组成和功能。事实上，粪便样本的16s rRNA分析显示了根据基因型的显著聚类(图2A)，这表明Bmal1SCNfl/-小鼠中存在不同的菌群组成。此外，在对照组小鼠中观察到的群落多样性(物种丰富度)的节律性在Bmal1SCNfl/-小鼠中消失，尽管对CT1的广义UniFrac距离(GUniFrac)量化发现两种基因型存在时间差异(双因素方差分析，p=0.0037)(图2B)。厚壁菌门和拟杆菌门这两个优势门的相对丰度在两种基因型中都表现出相似的昼夜节律性(图2C)。然而，之前的研究，包括我们自己团队的研究表明，相对丰度的节律性可以由于高丰度的菌群的振荡而被掩盖。因此，我们使用合成DNA峰值来确定定量微生物群的组成，如前所述。事实上，与对照组相比，Bmal1SCNfl/-小鼠的两个门在数量丰度上都失去了节律性(图2C)。中枢时钟的破坏导致乳杆菌科和梭菌科的节律性丧失(补充图S1A)。然后，我们开始确定在去除低丰度菌群(平均相对丰度<0.1%；流行率<10%)后zOTUs的节律性。热图显示了两种分析中Bmal1SCNfl/-小鼠zOTUs的昼夜节律振荡中断(图2D，补充图1b)。在SCN特异性Bmal1缺陷的小鼠中，节律性zOTUs的数量减少了四分之三，而只有少数细菌类群获得了节律性(JTK_CYCLE，adj.p-value<0.05)(图2E，补充图S1C，补充表1)。例如，我们在Bmal1SCNfl/-小鼠中发现了失去节律性的zOTUs，主要属于Muribaculaceae和产生次级胆汁酸和SCFA的瘤胃球菌科(图2F，补充图S1D)。特别是，在Bmal1SCNfl/-小鼠中，产生SCFA的类群(包括Faecalibaculum和Agathobaculum)是无节律性的(图2F，G，补充图S1D，E)。值得注意的是，属于Alloprevotella、Muribaculaceae和Faecalibaculum的细菌失去了节律性，并且基因型之间的丰度存在差异(补充图S1F)。

图2 SCN特异性Bmal1-缺陷小鼠

(A)中微生物群节律性的破坏基于粪便微生物群按基因型分层的广义UniFrac距离(GUniFrac)的β多样性MDS图。(B-C) alpha多样性的昼夜分布(B)和主要门的相对丰度和绝对丰度(C)。(D) 412个zOTU的相对丰度热图(平均相对丰度<0.1%；流行率>10%)。(E)两种基因型中所有zOTUs(左)的显著性、振幅(基于JTK_CYCLE)和相位(基于余弦回归)分布(右)。(F)基于定量分析的Bmal1SCNfl/-小鼠丧失节律性的zOTUs分类树。分类等级分别为门(外虚线环)、科(内圈)和属(中间名)。每个zOTU由单独的分支表示。(G) Bmal1SCNfl/-小鼠中失去节律性的zOTUs绝对丰度的昼夜分布。余弦波回归分析的显著节律(p值≤0.05)用实线表示，虚线连接的数据表示无节律性。

3 SCN时钟控制的微生物功能平衡代谢稳态

为了研究微生物节律性的潜在生理相关性，我们对Bmal1SCNfl/-小鼠中失去节律性的zOTUs进行了PICRUST 2.0分析。SCN时钟缺陷小鼠出现肥胖和葡萄糖处理受损。在此背景下，我们观察到与糖代谢、短链脂肪酸发酵和脂肪酸代谢相关的预测通路的基因型差异和节律性丧失(图3A，补充图S2A)。靶向代谢物分析进一步揭示，在Bmal1SCNfl/-小鼠中鉴定的分类群的改变导致糖和脂质信号通路中涉及的关键细菌产物的改变，如SCFAs和BAs(图3B-F，补充图S2B-D)。特别是，对脂质代谢很重要的丙酸在Bmal1SCNfl/-小鼠中的水平降低(图3B)。此外，包括异戊酸、异丁酸和2-甲基丁酸在内的支链脂肪酸在Bmal1SCNfl/-小鼠中减少，而SCFA的总浓度在基因型之间没有区别(图3B，补充图S2B)。在Bmal1SCNfl/-小鼠中，总SCFAs以及主要微生物产物如乙酸、丙酸和乳酸的节律性缺失(余弦回归，对照组:p=0.003，p=0.001，p=0.02，p=0.0009，Bmal1SCNfl/-: p=0.32，p=0.5，p=0.49，p=0.93)(图3C)。值得注意的是，其他SCFAs，包括丁酸和戊酸，在两种基因型中都表现出节律性(余弦回归，对照组p=0.0001，p=0.007，Bmal1SCNfl/-，p=0.02，p=0.01)(补充图S2C)。此外，在缺乏功能性中枢时钟的小鼠中，BAs浓度也发生了改变(图3D，补充图S2D)。例如，在Bmal1SCNfl/-小鼠中，6-酮石胆酸的浓度降低，而b-鼠胆酸和牛磺-α-鼠胆酸的浓度显著升高(图3D)。尽管在两种基因型中测量到的其他BAs具有相似的浓度，但在Bmal1SCNfl/-中各种BAs的节律性被破坏，包括7-磺胆酸、熊去氧胆酸、牛磺胆酸和异石胆酸(图3E，F，补充图S2D)，表明脂肪和胆固醇代谢改变。

综上，本研究结果强调了中枢时钟在同步GI组织中的外周时钟方面的重要性。此外，这些结果首次表明，在缺乏中枢锁功能的小鼠中，微生物分类群及其功能产出，特别是SCFAs和BAs的损失，与这些动物的肥胖和糖代谢受损有关。

图3 SCN时钟控制的微生物功能平衡代谢稳态。

(A)代表PICRUST2.0预测的Bmal1SCNfl/-小鼠zOTUs失去节律的MetaCyc通路的热图。(B)两种基因型的粪便中SCFA浓度。(C)粪便SCFA的昼夜变化。(D)两种基因型的粪便胆汁酸浓度。(E-F)粪便胆汁酸的昼夜分布。余弦波回归分析的显著节律(p值≤0.05)用实线表示，虚线连接的数据表示无节律性。用Mann Whitney U检验评估浓度差异。n=6只小鼠/时间点/基因型。数据用平均值±SEM表示。P值* ≤0.05，**≤0.01，***≤0.001，****≤0.0001。

4 模拟轮班工作诱导胃肠道时钟之间的昼夜节律不同步

流行病学和实验研究表明，频繁的昼夜节律不同步会增加患代谢性疾病和体重增加的风险，这与在中枢时钟缺陷小鼠中观察到的表型相似。在缺乏中枢时钟的小鼠中观察到，组织时钟昼夜节律不同步可能是由内部时间和环境时间之间的不一致引起的，如处于时差或轮班工作期间。为了研究轮班工作是否会导致GI时钟的昼夜不同步，类似于Bmal1SCNfl/-小鼠中枢时钟功能丧失的影响，野生型小鼠暴露于6-8周的SSW环境中，每5天8小时的相位变化(图4A)。活动剖面在SSW的最初几天逐渐推进(图4A，B)。特别是，与SSW前的LD剖面和保留在LD的对照队列相比，第1天活动开始时间提前不到3小时(图4A，B)。这导致前一天和晚上的活动分布均匀，尽管总活动不受影响(图4B，补充图S3A)。与之前的研究一致，SSW组小鼠的体重显著增加(P<0.0001)(图4C)，尽管体脂肪组成和肠道重量与对照组没有区别，也没有发现食物摄入量的差异(图4D，补充图S4A-B)。接下来我们想通过测量肠道通透性来评估肠道屏障的功能，它可以影响必要营养物质(如葡萄糖)的吸收。例如，肠通透性增加之前与代谢综合征相关。虽然在SSW期间CT13结肠通透性略有增强，但实验组间无差异(图4E)。此外，没有发现能量吸收或总食物摄入量的差异(图4F)。

有报道称，同一组织内的昼夜节律时钟的复位速度以及时钟基因之间存在差异。为了测试GI时钟是否受到SSW的不同影响，我们在ZT1和ZT13(对照组灯亮后1小时和13小时)测定了GI组织中的时钟基因表达。事实上，在SSW最后阶段的第1天，GI组织和作为对照的肝脏中的时钟基因的日表达量受到了不同程度的影响(图4A，I，J)。尽管肝脏、空肠和近端结肠中的Bmal1和Per2在这两种基因型中均显示出与白天有关的表达，但Dbp、Cry1和Rev-erbα仅在特定组织中受到影响。例如，在暴露于SSW的小鼠的肝脏和空肠中，Dbp在ZT13时急剧减少，而在白天没有影响，但在SSW期间Dbp表达增强(图4I，J)。相比之下，在盲肠中，Bmal1的日间差异不存在，SSW期间Cry1在ZT13的表达显著增强，而Per2、Rev-erbα和Dbp则不受影响(图4I)。此外，在经历SSW的小鼠结肠中，虽然Bmal1、Rev-erbα和Dbp的表达在ZT13被明显抑制，但几乎所有检测到的时钟基因(Cry1除外)的表达都存在时间差异(图4I)。这些结果表明，所有被检查的外周时钟都处于相位提前的不同复位阶段，因此GI时钟之间明显存在昼夜节律不同步现象。

图4 模拟轮班工作诱导GI时钟之间的昼夜节律不同步。

(A)对照小鼠在12小时光照/12小时黑暗(LD)和模拟轮班工作(SSW)条件下的代表性活动图。黄色和灰色阴影分别代表光明和黑暗。红色箭头表示粪便样本收集时间点。(B)日总跑轮运行活动概况(上)和24小时总结(下)。(C) SSW和LD条件下小鼠归一化体重增加情况。每日总摄食量(D)、肠道通透性(E)和能量同化(F)。(I-J) SSW组WT小鼠(红色)和LD对照组(黑色)小鼠胃肠道(I)和肝脏(J)中核心和辅助时钟基因的相对表达。N=4-5只小鼠/时间点/光照条件。数据用平均值±SEM表示。采用Mann Whitney U检验评估食物摄入量和能量同化差异。采用双因素方差分析评估体重和基因表达的变化。P值* ≤0.05，**≤0.01，***≤0.001，****≤0.0001。

5 模拟轮班工作会破坏菌群组成和功能的节律性

以往的研究，包括本课题组的前期研究表明，环境条件的变化可以改变微生物群落组成，引起特定类群的节律失常。因此，我们发现暴露于LD和SSW条件下的小鼠粪便微生物群落显著不同(p=0.014)(图5A)。GUniFrac距离量化的节律性以及主要门和科的相对丰度和数量丰度随着高级行为节律相移(图4A，B，图5B-D，补充图S3B，C)。重要的是，拟杆菌门的数量丰度在SSW中失去了节律性(图5C)。24小时内细菌丰度的热图说明了SSW期间zOTUs的阶段性高级节律(补充图S3D，E)。此外，在SSW期间，在LD条件下的所有节律性zOTUs中，有约50%的节律失常，包括乳杆菌、瘤胃球菌和Odoribacter(图5E，G，补充图S3DF，补充表S1)。在定量和相关分析中失去节律性的zOTUs包括属于Eubacterium、拟杆菌和瘤胃球菌的类群(图5G，H，补充图S3G，补充表S1)。SSW中其余有节律的zOTUs的阶段提前3.7-6.4 h，包括Alistipes、Duncaniella、Roseburia、Oscillibacter和Lachnospiraceae(图5F，补充图S3D，F，补充表S1)。值得注意的是，在SSW和LD条件下，属于Ruminococcaceae和Muribaculaceae以及乳杆菌属的无节律性zOTUs的平均丰度有显著差异(图5G，补充图S3F)，这与暴露于慢性时差或睡眠剥夺小鼠的结果一致。

为了评估SSW期间GI时钟不同步是否会诱发类似于在中枢时钟中断的小鼠中观察到的微生物振荡干扰，我们分析了SSW小鼠中微生物组的节律性。值得注意的是，在不同的动物设施中进行的这两项实验之间，整体的微生物群组成并不具有可比性(补充图S3H)。然而，这与频繁的报道一致，这些报告说明居住情况极大地影响微生物群组成。为了考虑菌群的功能而不是组成，我们对在SSW中失去节律性的zOTUs进行了PICRUST分析(图5I)。然后将其预测的功能与从Bmal1SCNfl/-小鼠中发现的节律失常分类群中获得的结果进行比较(图3A，图5I，补充图S3I)。与诱导昼夜不同步的方法无关，我们在与氨基酸、脂肪酸以及糖代谢和SCFA发酵有关的途径中发现了节律紊乱和丰度变化(图5J)，表明昼夜微生物群调节和GI生理之间存在功能联系。值得注意的是，环境和遗传性昼夜节律紊乱之间的途径比较表明，与细胞壁合成以及脂肪酸、核苷酸和SCFA代谢有关的途径在Bmal1SCNfl/-小鼠和SSW条件下失去节律性(补充表S2)。值得注意的是，尽管少数途径在Bmal1SCNfl/-小鼠中失去了节律性，但在SSW中仍有节律性。

图5 模拟轮班工作会破坏微生物群组成和功能的节律性。

(A)基于光照条件分层的粪便微生物群的广义UniFrac距离(GUniFrac)的β-多样性MDS图。(B)广义UniFrac距离对对照组ZT1进行归一化的昼夜曲线。(C-D)主要门(C)和科(D)绝对丰度的昼夜曲线。(E)两种基因型中所有zOTUs(E)的显著性和振幅(基于JTK_CYCLE)和相位(基于余弦回归)分布(F)，虚线表示adj.p-value=0.05(JTK_CYCLE)。(G)基于定量分析的SSW中失去节律性的zOTUs的分类树。分类等级分别为门(外虚线圈)、科(内圈)和属(中间名)。每个zOTU由单独的分支表示。(H)在SSW中失去节律性的zOTUs绝对丰度的昼夜分布曲线。(I)热图代表PICRUST2.0预测的MetaCyc途径，这些途径来自于SSW中失去节律性的zOTUs。(J)条形图表示SSW和Bmal1SCNfl/-小鼠失去节律性的共享途径数量。余弦波回归分析的显著节律(p值≤0.05)用实线表示，虚线连接的数据表示无节律性。

6 模拟轮班工作相关的微生物群促进体重增加并抑制GI时钟

为了直接研究SSW诱导的微生物组节律失常对宿主的影响，我们将接受6周SSW的供体小鼠和饲养在LD的对照小鼠的盲肠菌群转移到无菌(GF)野生型受体中(图6A)。接受SWW相关菌群的小鼠体重显著增加(图6B)，这与暴露于慢性时差的小鼠粪便菌群移植后的观察结果一致。有趣的是，移植6周后，受体之间的体重以及大多数器官的重量没有区别(图6A-C)，这表明微生物的改变在节律性宿主中是暂时的。值得注意的是，盲肠重量显著增加，血浆葡萄糖略有增强，而血浆甘油三酯在SSW相关菌群移植后没有变化(图6C，补充图S4C)。微生物衍生产物，特别是SCFAs和BAs已被描述为改变GI组织中的时钟基因表达。这促使我们测量受体和GF对照中的时钟基因表达。事实上，接受SWW相关菌群的小鼠在移植6周后显示出GI时钟基因表达的改变(图6D)。尽管在近端结肠中检测的大多数时钟基因在日间波动，与供体的基因型无关，但在ZT13中Per2表达被高度抑制，而在接受SWW相关菌群的小鼠中，对照组Rev-erbα表达没有日间差异(图6D)。同样，在接受SWW相关菌群的小鼠中，空肠中Per2、Cry1和Dbp的表达以及盲肠中Per2、Rev-erbα和Dbp的表达在ZT13被抑制。与暴露于SSW的供体小鼠和GF小鼠的观察结果相比，GI时钟基因表达的日间差异遵循了类似的趋势(图4I，图6D)。这些结果表明，微生物组至少可以部分地将GI时钟表型从供体转移到宿主，从而直接影响GI生理学。在接受SWW相关菌群的小鼠中，我们随后研究了时钟基因抑制对与葡萄糖和脂肪代谢相关的钟控基因的影响，如Fabp2、Ifabp、Sglt1、Glut2和Ppary。事实上，在空肠中发现参与脂质摄取的Fabp2、Sglt1和Glut2(葡萄糖摄取调节因子)的表达受到抑制。在结肠中，发现Ifabp的表达增强，它参与脂肪酸的运输和代谢，并与小鼠体重增加有关。此外，SWW相关菌群的转移增加了Ppary的表达，Ppary是糖脂代谢的转录调控因子(图6F)，SCFAs被证明通过PPARs调节宿主的代谢状态。总之，这些结果证明了GI时钟-微生物组串扰的生理相关性，特别是在维持宿主的代谢健康方面。

图6 模拟轮班工作相关的菌群促进体重增加并抑制GI时钟。

(A)从SSW和LD供体(n=4-5)引入无菌野生型小鼠的盲肠菌群转移示意图。(B)受体小鼠正常增重。(C)条形图显示受体小鼠盲肠重量。(D-E)在无菌小鼠(绿色)、接受SSW的无菌小鼠(红色)和LD对照(黑色)胃肠道中时钟基因(D)和钟控基因(E，F)在CT1和CT13的相对表达。N=5-6只小鼠/时间点/光照条件。数据用平均值±SEM表示。采用Mann Whitney U检验评估盲肠重量的差异。采用双因素方差分析评估体重变化和基因表达差异。P值* ≤0.05，**≤0.01，***≤0.001，****≤0.0001。

讨论

研究表明，具有中枢时钟功能障碍的小鼠会出现代谢表型和外周时钟的不同步，如肾上腺、肝脏、心脏、胰腺和eWAT。此外，我们提供的证据表明，在没有功能性中枢时钟的情况下，GI时钟会发生不同步的情况。暴露于SSW条件下的野生型小鼠也出现了GI时钟的不同步。我们的结果与慢性时差后结肠时钟基因表达的改变一致，并表明GI时钟不同步是昼夜节律中断的一个常见特征。值得注意的是，GI昼夜节律系统的不同部分对昼夜节律紊乱有不同的反应，这在遗传模型和环境诱导的昼夜节律紊乱中很明显。考虑到先前的研究表明，沿肠道颅尾轴的时钟基因节律存在时间相位梯度，对昼夜节律紊乱的反应可能在肠道各部分之间有所不同。然而，为了比较不同模型中肠组织时钟重置的动力学，需要对多天内的时钟基因表达进行24小时分析。值得注意的是，环境和遗传昼夜节律中断对进食-禁食周期的影响不同。我们在Bmal1SCNfl/-小鼠中的研究结果显示，DD小鼠释放后的食物摄入行为无节律(图1A)，而在SSW小鼠中，每日的食物摄入模式继续有节律性，但相位发生了偏移。这与我们方法中记录的跑轮运行活动节奏一致(图4A、B)。由于进食时间是外周时钟的主要授时因子，与暴露于SSW的小鼠相比，SCN特异性Bmal1-缺陷小鼠的食物摄入模式的差异可能会对肠道时钟产生不同的影响，从而可能解释了在这些模型中观察到的肠道基因表达模式的差异。

最近，我们发现GI时钟是肠道菌群节律性的重要调节因子。先前的研究发现，进食时间会影响昼夜节律系统缺陷小鼠的微生物节律性。因此，在中枢时钟中断的小鼠和SSW小鼠中观察到的微生物群的节律失常可能是由GI时钟的不同步或禁食-进食行为的改变或两者的结合引起的。与最近从肠道时钟紊乱的小鼠中获得的结果一致，属于Rikenellaceae、Ruminococcaceae和Muribaculaceae以及乳杆菌属和Alistipes属的分类群在Bmal1SCNfl/-小鼠和经历SSW的小鼠中失去了节律性。值得注意的是，节律性的破坏在缺乏功能性中枢时钟的小鼠中更为严重。本研究在微生物多样性以及门、科水平上发现了节律性失常。在SSW期间，拟杆菌门的丰度以及大量分类群保持了节律性，尽管处于高级阶段。这两种模型之间的差异可能是由无节律进食行为Bmal1SCNfl/-小鼠的累积效应所解释的(图1A)，而在SSW中，每日进食模式是有节律的，但有相位转移。控制食物摄入的时间已被证明可以使属于Alistipes、Lactobacillus和Bacteroides的特定类群发生相移。因此，SSW中相位提前的食物摄入节奏可能改变了细菌振荡的相位。然而，大量类群在暴露于SSW后失去了节律性，在具有SCN特异性和GI时钟中断的小鼠中也是如此，这表明在昼夜节律中断期间GI时钟之间的同步性丧失可能是导致这些类群节律失常的原因。值得注意的是，即使在昼夜节律中断的情况下，也有少数类群保持节律性，这可能是由于外周时钟改变但仍有功能的结果，或者这些类群是由细菌内在因素驱动的。

最近，我们发现了人体中微生物群节律性、肥胖和T2D发展之间的联系，这表明微生物节律性可能在疾病发展中起着致病作用。相应地，从肥胖的人类供体以及经历时差的瘦人供体转移微生物群，在GF受体小鼠中诱发了肥胖相关的表型。然而，这些研究并没有说明与肥胖相关的微生物节律性的丧失或细菌数量的一般变化是否是根本原因。使用昼夜节律障碍小鼠模型的转移实验为微生物群节律与代谢健康的生理相关性提供了直接证据。例如，来自肠道时钟缺陷小鼠的无节律菌群转移会破坏受体动物的胃肠道内稳态，而来自暴露于环境中的小鼠的菌群会诱导昼夜节律中断，促进野生型小鼠体重增加。从时差小鼠身上转移微生物群也得到了类似的结果。综上所述，这些结果表明，除了脂肪和肝脏的外周生物钟紊乱之外，微生物群的节律性是代谢性疾病发展的一个关键因素。

胃肠道代谢受到细菌衍生产物的强烈影响，如SCFAs和BAs。在遗传和环境昼夜节律中断后，微生物节律性的丧失通过预测微生物功能的节律性反映出来，如SCFA发酵，以及糖、脂肪酸和氨基酸代谢。值得注意的是，节律性的丧失在通路水平上比在单个zOTUs上更为突出，这表明振荡的zOTUs参与了多个通路。靶向代谢物分析进一步证实了Bmal1SCNfl/-小鼠中关键微生物衍生产物，即SCFAs和BAs缺乏节律性。例如，在丙酸和乙酸中发现了SCFAs的节律失常。两者都在脂肪和葡萄糖代谢中发挥重要作用，能够预防饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗。此外，观察到牛磺酸结合胆汁酸以及次级BA熊去氧胆酸的节律性或丰度的变化。已知这些代谢物通过核胆汁酸受体FXR影响信号传导，导致对脂质和葡萄糖稳态重要的靶基因的转录。重要的是，细菌代谢物，如SCFA和BAs，受生物钟控制，而SCFA和BA振荡的改变之前曾在慢性时差小鼠和GI时钟缺陷动物中报道过。SCFAs和BAs都与糖和脂肪酸代谢有关，它们的节律性丧失可能会在昼夜节律中断后改变宿主的代谢功能，因为已知这两种细菌产物都能平衡宿主代谢。在这方面，我们之前报道过，当Bmal1SCNfl/-小鼠被置于DD中数周时，体重增加。重要的是，在DD的第2天，已经发现了主要参与葡萄糖和脂质代谢的微生物群节律和随后的微生物功能的丧失，如熊去氧胆酸、丙酸和乙酸，因此先于这些小鼠报告的肥胖表型。因此，观察到的微生物变化可能代表了Bmal1SCNfl/-小鼠代谢表型发展中的早期事件。重要的是，轮班工作相关的细菌会导致体重增加，血浆葡萄糖水平略有增加，并直接影响宿主的GI时钟功能。特别是，昼夜节律中断后供体小鼠的GI时钟失调部分反映在受体上。例如，对空肠Rev-Erbα和Dbp表达的日间差异的抑制在供体和受体中都很明显，表明微生物群将昼夜表型从供体转移到受体。已知外周生物钟通过调节组织特异性CCGs来控制器官功能。因此，受体的GI时钟中断会改变空肠和结肠中CCGs的表达水平，如Fabp2、Sglt1、Ifabp、Glut2和Ppary，它们都参与葡萄糖和脂肪代谢。将菌群节律与胃肠道组织功能联系起来的机制可能涉及局部上皮-微生物相互作用。事实上，据报道，SCFAs和BAs可直接影响肠上皮细胞的节律性并影响宿主的代谢反应。因此，转移微生物群的节律性失常可能导致细菌产物的节律性失常，从而改变GI时钟功能，进而改变代谢CCGs。因此，本研究结果为昼夜节律紊乱期间依赖微生物群的代谢改变提供了第一个机制见解。

结论

综上所述，遗传和环境诱导的昼夜节律紊乱的两种模型的比较表明，在GI时钟水平上存在共同紊乱，并确定了与宿主代谢异常有关的微生物类群及其功能。此外，SSW期间微生物的改变似乎是宿主代谢表型的原因。我们的数据提供了第一个证据，证明在昼夜节律中断期间GI时钟功能的分子改变可以通过微生物组在生物体之间转移。因此，本研究数据强调了肠道时钟-细菌对话是人类因生活方式而暴露于昼夜节律紊乱的情况下发生代谢性疾病的有力潜在因素。