腸道微生物代謝芳香族氨基酸產(chǎn)生的4HPAA、3HPP和4HPP與減肥密切相關(guān)？
近年來研究表明，腸道菌群及其代謝物在肥胖的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮一定的調(diào)節(jié)作用。2025年3月14日西湖大學(xué)醫(yī)學(xué)院陶亮、鄭鉅圣團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中山大學(xué)陳裕明團(tuán)隊(duì)在Nature metabolism雜志上發(fā)表了題為Human gut microbial aromatic amino acid and related metabolites prevent obesity through intestinal immune control的研究文章。研究通過大規(guī)模人類隊(duì)列研究，同時(shí)結(jié)合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腸道微生物代謝芳香族氨基酸（AAA）產(chǎn)生的4HPAA及其結(jié)構(gòu)相似的3HPP和4HPP通過調(diào)節(jié)腸道免疫反應(yīng)，減少脂質(zhì)吸收從而改善體重。
背景1.肥胖癥：是一種由遺傳和環(huán)境因素共同導(dǎo)致的脂肪組織過度積累或分布、功能異常的慢性、進(jìn)行性、復(fù)發(fā)性疾病。近年來，我國超重和肥胖人群的患病率呈持續(xù)上升趨勢(shì)，肥胖癥已成為我國重大公共衛(wèi)生問題，是我國第六大致死致殘主要危險(xiǎn)因素。2.腸道菌群與肥胖癥的關(guān)系：腸道菌群可通過多種途徑影響肥胖癥。它能調(diào)節(jié)能量代謝，促使宿主從食物中攝取更多能量并儲(chǔ)存；還可影響腸道屏障功能，引發(fā)慢性炎癥，干擾機(jī)體代謝信號(hào)通路；此外，還能參與脂肪合成與儲(chǔ)存等過程，在肥胖癥發(fā)生發(fā)展中起重要作用。3.芳香族氨基酸：食物在胃腸道蛋白水解的作用下會(huì)產(chǎn)生大量的AAAs，包括色氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸，為腸道微生物提供了豐富的原料，使其能夠生成大量的芳香族化合物。芳香族氨基酸及其代謝產(chǎn)物可能作為重要的信號(hào)分子參與宿主與微生物組之間的相互作用。例如，由苯丙氨酸或酪氨酸代謝生成的多巴胺、去甲腎上腺素和褪黑素，以及由色氨酸代謝生成的5-羥色胺，都是已知的神經(jīng)遞質(zhì)，在腸-腦軸中具有多種作用。腸道微生物通常利用AAA氨基轉(zhuǎn)移酶來完成苯丙氨酸和酪氨酸的轉(zhuǎn)氨反應(yīng)，其中酪氨酸可以代謝成多種化合物，包括4-羥基苯丙酸（4HPAA）、4-羥基苯基丙酮酸、4-羥基苯乳酸、4-甲基苯酚（對(duì)甲酚）和4-羥基苯乙醇（酪醇）。
研究結(jié)果
1.微生物AAA代謝與人體脂肪堆積有關(guān)
該研究基于廣州營(yíng)養(yǎng)與健康研究（GNHS）隊(duì)列的數(shù)據(jù)，通過評(píng)估血清中微生物相關(guān)代謝物與人體不同區(qū)域的脂肪百分比之間的關(guān)聯(lián)（圖1a），發(fā)現(xiàn)8個(gè)參與膽汁酸代謝途徑的分子和7個(gè)與AAA代謝途徑相關(guān)的分子均與脂肪堆積有關(guān)。AAA代謝途徑中的7個(gè)分子分別為：4HPAA（圖1c）、Phe、Tyr、馬尿酸、5-羥色氨酸和Trp，均與肥胖呈負(fù)相關(guān)；而4-羥基苯丙酮酸與肥胖呈正相關(guān)。進(jìn)一步作者研究發(fā)現(xiàn)，在排除年齡，性別，飲食等因素后，4HPAA與全身脂肪積累、總膽固醇濃度呈現(xiàn)最明顯的負(fù)相關(guān)。且作者發(fā)現(xiàn)，4HPAA不僅能減少內(nèi)臟脂肪堆積，還可降低血液中總膽固醇和低密度脂蛋白LDL-C（圖1b-d）。
圖1微生物AAA代謝與人體脂肪堆積有關(guān)
2.口服4HPAA、3HPP和4HPP可減少小鼠的體重增加
為了進(jìn)一步去驗(yàn)證4HPAA是否可以影響小鼠的脂肪含量，研究者將4HPAA添加到正常小鼠及高脂飲食（HDF）造成的肥胖小鼠飲水中（圖2a）。結(jié)果顯示，4HPAA可以顯著抑制了HFD小鼠體重和脂肪百分比的增加（圖2b-c）。為了進(jìn)一步去驗(yàn)證4HAPP的羥基化合物是否也有類似的功能，作者給正常小鼠及HDF飲食造成的肥胖小鼠飲用4HPP、3HPP和Tyrosol，結(jié)果顯示與4HPAA結(jié)構(gòu)相關(guān)的代謝產(chǎn)物4HPP和3HPP也展現(xiàn)出類似的抗肥胖作用（圖2e-g）。
圖2口服4HPAA、3HPP或4HPP可抑制HFD喂養(yǎng)的肥胖小鼠體重增加
3.4HPAA及衍生物逆轉(zhuǎn)脂肪細(xì)胞肥大和肝臟脂肪變性
為了觀察4HPAA對(duì)脂肪組織形態(tài)的改變，作者對(duì)多種脂肪組織進(jìn)行HE染色。結(jié)果顯示，4HPAA、3HPP、4HPP可抑制HFD喂養(yǎng)小鼠的肩胛骨間棕色脂肪組織（iBAT）、腹股溝白色脂肪組織（iWAT）和附睪白色脂肪組織（eWAT）中的脂肪細(xì)胞肥大（圖3a-c）。已知HDF飲食造成的肥胖往往伴隨著肝脂肪性病變，作者的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，4HPAA、3HPP、4HPP不僅可以抑制脂肪細(xì)胞肥大，也能抑制肝脂肪性病變。以上結(jié)果表明4HPAA及其結(jié)構(gòu)類似物可改善肥胖小鼠的脂肪細(xì)胞肥大和肝臟組織脂肪變性。
圖3 4HPAA及衍生物代謝物改善脂肪細(xì)胞肥大和肝脂肪變性
4.4HPAA和3HPP干預(yù)小鼠腸道營(yíng)養(yǎng)吸收
為了探究4HPAA及其衍生物如何減輕HDF誘導(dǎo)的小鼠肥胖，作者檢測(cè)了小鼠飲食攝入量，能量的消耗及小鼠能量的吸收。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照小鼠相比，飲用4HPAA、3HPP、4HPP的小鼠，食物的攝入無明顯改變（圖4a），同時(shí)小鼠能量消耗僅略增高（圖4b-d）。但是飲用4HPAA、3HPP、4HPP的小鼠對(duì)食物能量的吸收明顯降低（圖4e）。同時(shí)作者也觀察到小鼠血糖水平降低（圖4f-g）。以上結(jié)果提示我們，4HPAA及其衍生物可能通過抑制HFD小鼠腸道營(yíng)養(yǎng)吸收，來減輕HDF誘導(dǎo)的小鼠肥胖。
圖4 4HPAA和3HPP干預(yù)小鼠腸道營(yíng)養(yǎng)吸收
5.4HPAA和3HPP靶向腸道發(fā)揮作用
為探究AAA代謝物是作用于腸道，還是進(jìn)入血液循環(huán)從而靶向遠(yuǎn)處器官如肝臟和脂肪組織來發(fā)揮抗肥胖作用。研究者通過給HDF飼喂小鼠腹腔注射4HPAA及衍生物來探究這一作用機(jī)制（圖5a）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然腹腔注射4HPAA或3HPP可以減輕肝臟脂肪性病變，但是無法減少高脂飲食小鼠體重增加和脂肪積累（圖5b-e）。以上結(jié)果表明腸道才是這些代謝物發(fā)揮抑制脂肪堆積作用的關(guān)鍵位置。
圖5 4HPAA和3HPP靶向腸道來發(fā)揮抗肥胖作用
6.4HPAA和3HPP可獨(dú)立于腸道菌群發(fā)揮抗肥胖作用
為探究4HPAA的抗肥胖作用是否需要依賴于腸道微生物群，對(duì)是否飲用4HPAA及其衍生物的正常飲食及高脂飲食小鼠的糞便進(jìn)行了腸道菌群的檢測(cè)。結(jié)果顯示HDF飲食小鼠相較于正常飲食小鼠，其腸道菌群發(fā)生了巨大的變化，但是飲用4HPAA及其衍生物并不會(huì)改變小鼠的腸道菌群的構(gòu)成（圖6a-b）。進(jìn)一步使用抗生素干預(yù)小鼠腸道菌群后，4HPAA及其衍生物依然能夠抑制HFD小鼠的體重和體脂的增加（圖6c-d）。研究者發(fā)現(xiàn)從瘦型人群中分離的C.argentinense可以產(chǎn)生較多的4HPAA及其衍生物，進(jìn)一步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)口服這一菌株的小鼠較其他菌株體重增加的較少（圖6e-f）。上述結(jié)果表明4HPAA可獨(dú)立于菌群發(fā)揮預(yù)防肥胖的作用。
圖6 4HPAA及其衍生物獨(dú)立于腸道菌群發(fā)揮抑制肥胖的作用
7.4HPAA干預(yù)可抑制慢性炎癥
為探究AAA及其代謝物是如何作用于腸道從而發(fā)揮抗肥胖的作用，研究則將飲用4HPAA及純水的HDF引起的肥胖小鼠的腸道組織進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析。結(jié)果顯示，結(jié)腸組織中有42個(gè)上調(diào)和64個(gè)下調(diào)的轉(zhuǎn)錄本。基因集富集分析表明參與脂質(zhì)代謝的途徑，包括單羧酸分解代謝、脂肪酸分解代謝、甘油三酯代謝、脂肪酸代謝和脂質(zhì)氧化等途徑均被抑制，編碼免疫球蛋白或B細(xì)胞信號(hào)因子相關(guān)代謝通路上調(diào)。其中參與脂質(zhì)代謝的基因Scd1,Lpl,Aqp7,Fabp2 and Cd36表達(dá)也顯著下調(diào)（圖7a-b），但是體外使用4HPAA及3HPP直接刺激小鼠腸道類器官，發(fā)現(xiàn)這些基因并未有顯著變化，故作者認(rèn)為4HPAA及其衍生物不直接作用于腸上皮細(xì)胞來發(fā)揮作用。進(jìn)一步作者研究發(fā)現(xiàn)，4HPAA可以減少腸道炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，恢復(fù)腸道屏障完整性（圖7 c-d）。
圖7 4HPAA及其衍生物可減少結(jié)腸上皮的慢性炎癥
8.ILCs在4HPAA抑制體重增加中發(fā)揮重要的抑制作用
為進(jìn)一步探究4HPAA對(duì)腸道免疫細(xì)胞的影響，研究者分析了小鼠結(jié)腸及小腸中的各類免疫細(xì)胞組成。結(jié)果發(fā)現(xiàn)將4HPAA干預(yù)后小鼠結(jié)腸中ILCs細(xì)胞減少，而在小腸中少量增加（圖8a,b）。為了進(jìn)一步研究4HPAA是否通過免疫調(diào)節(jié)減輕了HFD誘導(dǎo)的體重增加，研究者使用了多種免疫缺陷的小鼠模型，結(jié)果顯示ILCs及NK細(xì)胞在4HPAA誘導(dǎo)的抗肥胖作用中發(fā)揮著重要的抑制4HPAA的作用（圖8c）。進(jìn)一步研究者通過使用IgG2α對(duì)照或抗NK1.1抗體，以耗盡NK和ILC1細(xì)胞進(jìn)一步證實(shí)這一猜想（圖8d）。最后，研究者發(fā)現(xiàn)不同背景的小鼠對(duì)4HPAA的敏感性不同（圖8e,f）。
圖8免疫細(xì)胞在4HPAA抑制體重增加中發(fā)揮重要抑制作用
總結(jié)該研究通過大規(guī)模人群隊(duì)列研究結(jié)合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)微生物來源的AAA代謝物4HPAA及其衍生物可改善HFD誘導(dǎo)的肥胖。4HPAA通過有效降低腸道炎癥以及減少脂質(zhì)吸收從而改善肥胖。在這一過程中，ILCs細(xì)胞發(fā)揮著重要的抑制4HPAA功能的作用。這一發(fā)現(xiàn)或?yàn)榕R床中治療肥胖癥提供了一個(gè)全新的干預(yù)靶點(diǎn)。
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