Cell Reports | 肠道菌群可用碳水化合物协同改善宿主代谢功能

小鼠禁食24小时后，在L-阿拉伯糖存在或不存在情况下给予蔗糖，监测小鼠血糖水平变化。L-阿拉伯糖处理小鼠在给予蔗糖后15、30和45分钟的血糖水平均低于L-阿拉伯糖未处理小鼠（图1A）。接着评估L-阿拉伯糖的抗肥胖作用，与对照组相比，饲喂高脂饮食（HFD）并接受L-阿拉伯糖治疗的小鼠体重增加降低，附睾白色脂肪组织重（eWAT）和血浆胆固醇水平降低，但甘油三酯水平没有受到影响（图1B-1D）。此外，通过口服葡萄糖耐量试验（OGTT；图1E）发现，补充L-阿拉伯糖可改善葡萄糖耐量。同时，L-阿拉伯糖处理组和未处理组之间的食物摄入量相当。

在L-阿拉伯糖存在或不存在下给予葡萄糖，小鼠血糖水平升高相当，表明L-阿拉伯糖不抑制葡萄糖吸收（图1F）。同样，当给小鼠饲喂葡萄糖-HFD代替蔗糖、麦芽糖糊精-HFD时，L-阿拉伯糖处理组小鼠血浆胆固醇水平较低，但体重增加量、eWAT、血浆甘油三酯水平和食物摄入量与未处理组相比无显著差异（图1G-1I）。此外， L-阿拉伯糖也不能改善糖耐量(图1J)。而用蔗糖-HFD代替葡萄糖-HFD饲喂时， L-阿拉伯糖处理组小鼠体重增加量、eWAT及血浆胆固醇水平显著降低，葡萄糖耐量改善，血浆甘油三酯水平和食物摄入量与未处理组相当。说明蔗糖存在情况下，L-阿拉伯糖对HFD诱导的肥胖具有抑制作用。

为了评估L -阿拉伯糖的特异性，作者对D-阿拉伯糖（对蔗糖酶活性无抑制作用）和D-木糖（可抑制蔗糖酶活性）的抗肥胖作用进行研究。实验中给予蔗糖后，D-阿拉伯糖处理组和未处理组小鼠血糖水平相当（图1K）。与L-阿拉伯糖的研究结果不同，饲喂HFD的D-阿拉伯糖处理组和未处理组之间的体重增加量、eWAT、血浆胆固醇和甘油三酯水平及食物摄入量无显著差异（图1L-1N）。此外，D-阿拉伯糖不能改善葡萄糖耐量（图1O）。D-木糖处理可抑制血糖增加（图1P），但不影响HFD饮食下小鼠体重、eWAT、血浆胆固醇和甘油三酯水平，也不会改善小鼠葡萄糖耐量（图1Q-1T）。D-木糖处理组和未处理组食物摄入量也相当。这些结果表明，除了抑制宿主蔗糖酶活性外，L-阿拉伯糖还可通过其他途径抑制饮食诱导的肥胖。

图1. L-阿拉伯糖在蔗糖存在下具有抗肥胖作用

对小鼠粪便进行16S rRNA基因测序分析发现， L-阿拉伯糖干预可改变肠道菌群组成(图2A)。L-阿拉伯糖可增加拟杆菌属和双歧杆菌属的相对丰度，这两个菌属与体重增加显著负相关(图2B和2C)。为了探讨L-阿拉伯糖的抗肥胖作用是否依赖肠道菌群，在L-阿拉伯糖存在或不存在下对HFD小鼠进行抗生素（Abx）干预。选择红霉素用于Abx治疗，因为红霉素可以减少拟杆菌属丰度，而拟杆菌属在L-阿拉伯糖处理的小鼠粪便中占主导地位。Abx处理显著降低拟杆菌属和双歧杆菌相对丰度，在L-阿拉伯糖处理组和未处理组中，这一点是相似的（图2D）。同样，Abx处理后L-阿拉伯糖处理组小鼠体重增加、eWAT、血浆胆固醇和甘油三酯水平、葡萄糖耐量及食物摄入量与未处理组无显著差异（图2E-2H）。由此说明，肠道菌群是介导L-阿拉伯糖抗肥胖作用所必需的。D-木糖处理可增加双歧杆菌属相对丰度，但不增加拟杆菌属相对丰度（图2I）。有趣的是，无论是饲喂葡萄糖-HFD还是蔗糖-HFD，L-阿拉伯糖处理均可增加拟杆菌属和双歧杆菌相对丰度（图2J），表明在无蔗糖存在下，L-阿拉伯糖也可增加抗肥胖相关菌的相对丰度。

图2. L-阿拉伯糖抑制饮食诱导的肥胖依赖于肠道菌群

G蛋白偶联受体43（GPR43）/游离脂肪酸受体2（FFAR2）和 GPR41/FFAR3是乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸（SCFAs）关键受体，在控制肥胖中发挥重要作用。因此，用Gpr43^-/-和Gpr41^-/-小鼠来评估L-阿拉伯糖对饮食诱导肥胖的抑制作用是否依赖于GPR43和/或 GPR41。L-阿拉伯糖可抑制野生型（WT）小鼠体重增加，但对Gpr43^-/-小鼠无效（图3A）。对于Gpr43^-/-小鼠，L-阿拉伯糖处理组与未处理组的eWAT、血浆胆固醇和甘油三酯水平、葡萄糖耐量和食物摄入量相当（图3B-D）。对于Gpr41^-/-小鼠，L-阿拉伯糖也不会抑制肥胖和改善葡萄糖耐量（图3E-H）。值得注意的是，L-阿拉伯糖可增加Gpr43^-/-和Gpr41^-/-小鼠拟杆菌属和双歧杆菌属的相对丰度。这些结果表明L-阿拉伯糖需要激活GPR43/GPR41发挥抗肥胖作用。

采用GC-MS对短链脂肪酸进行检测分析，结果表明，L-阿拉伯糖可增加HFD小鼠粪便中乙酸和丙酸的浓度，丁酸浓度无显著变化（图3I）。L-阿拉伯糖还可以增加Gpr43^-/-和Gpr41^-/-小鼠粪便中乙酸和丙酸的浓度。值得注意的是，在葡萄糖-HFD小鼠中，L-阿拉伯糖也可导致小鼠粪便种乙酸、丙酸水平增加，在蔗糖-HFD小鼠中，L-阿拉伯糖的作用进一步增强（图3J）。与L-阿拉伯糖不同，D-木糖不会促进肠道中乙酸或丙酸的产生（图3K）。Abx治疗可降低L-阿拉伯糖引起的小鼠粪便乙酸和丙酸水平变化（图3L），但Bacteroides acidifacien移植后乙酸和丙酸水平升高（图3M）。

研究中进一步确定了L -阿拉伯糖是否具有促进乙酸和丙酸产生的作用。在添加或不添加L-阿拉伯糖、蔗糖条件下培养临床粪便样本，测定培养上清液乙酸和丙酸浓度及培养物中拟杆菌属和双歧杆菌属丰度。与不含两种碳水化合物的培养物相比，加L-阿拉伯糖的培养物中乙酸和丙酸浓度升高，添加蔗糖则会进一步增加两种酸的浓度（图3N）。此外，加L-阿拉伯糖会增加拟杆菌属和双歧杆菌属的相对丰度（图3O）。这些结果表明，L-阿拉伯糖能诱导SCFA产生，蔗糖会加强这一作用。

图3. L-阿拉伯糖诱导肠道乙酸和丙酸产生，蔗糖可促进这一过程

在添加或不添加L-阿拉伯糖、蔗糖条件下培养B. acidifaciens。与不添加两种碳水化合物相比，添加L-阿拉伯糖或蔗糖与同时添加两种碳水化合物都能促进B. acidifaciens生长，且三组生长情况相似。L-阿拉伯糖或蔗糖促进B. acidifaciens产生乙酸，同时添加两种碳水化合物进一步加强这一作用。

对B. acidifaciens相关代谢产物进行代谢组学分析，结果表明，与不添加两种碳水化合物相比， L-阿拉伯糖或蔗糖对B. acidifaciens代谢产物的影响不同（图4A- 4B）。磷酸戊糖途径（PPP）和糖酵解途径分别是L-阿拉伯糖和蔗糖激活产生乙酸的特异性通路。L-阿拉伯糖显著增加PPP途径代谢物水平，如5-磷酸核酮糖/5-磷酸木糖/5-磷酸核糖、7-磷酸景天庚酮糖和4-磷酸赤鲜糖。L-阿拉伯糖也可增加乙酰磷酸的水平。蔗糖可增加糖酵解相关FBP、PEP和丙酮酸水平，还可增加乙酰辅酶A和乙酰磷酸水平，两者都是乙酸前体（图4C）。这些结果表明，L-阿拉伯糖和蔗糖促进拟杆菌的PPP和糖酵解导致乙酸产生（图4D）。

图4. L-阿拉伯糖和蔗糖通过不同机制促进抗肥胖拟杆菌的代谢

本研究表明，L-阿拉伯糖和蔗糖协同作用于特定肠道微生物，如B. acidifaciens，进而协同增加肠道中乙酸和丙酸浓度，防止饮食诱导的肥胖。这些发现表明，每种MAC对肠道微生物的作用不同，单独或联合使用特定MAC可作为精确的肠道菌群调节剂来促进宿主内稳态。

参考文献

Tomioka S, Seki N, Sugiura Y, et al. Cooperative action of gut-microbiota-accessible carbohydrates improves host metabolic function. Cell Reports. 2022.

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