项目文章 | 较大的昼夜温差改变肠道菌群，加剧肌肉萎缩

Result1 每日温度范围与老年人可能的肌少症患病率呈正相关

通过应用中国健康与退休纵向研究2013(CHARLS 2013)数据库，筛选出5737名60岁以上的参与者，并基于AWGS 2019算法评估肌少症状态。29.6%的人被认为是可能的肌少症，11.1%的人是肌少症。统计2011-2013年的每日温差信息并计算平均昼夜温差范围mDTR，作为反映当地气温变化的指标。肌少症和mDTR的相关性分析结果显示，可能的肌少症患病率与mDTR呈现正相关。

图1. 每日温度范围与老年人可能的肌少症患病率呈正相关

Result2 长期暴露在波动温度下会加重小鼠的肌少症

将小鼠每天分别暴露在10°C至25°C的波动温度(FT)，25℃(室温，RT)和10℃(低温，LT)中，12周后对各组小鼠进行旋转杆测试、握力测试和跑步机测试，以评估他们的运动能力。结果表明温度波动抑制了小鼠的运动表现，FT小鼠的协调能力、肌肉力量、肌肉耐力均受到抑制。此外，FT小鼠股四头肌、胫骨前肌和腓肠肌的质量减少，腓肠肌平均横截面积明显降低，肌萎缩相关基因Atrogin1、MuRF1表达水平显著上调。这些结果表明长期暴露在波动温度下会促进肌肉萎缩和抑制肌肉功能，导致中年小鼠肌肉出现衰老样表型。

图2. 长期暴露在波动温度下会加重小鼠的肌少症

Result3 FT处理会改变小鼠微生物群的组成

接下来该团队对RT、LT和FT小鼠粪便进行微生物多样性测序，α-多样性结果显示各组间Chao1指数无显著差异，而LT组Shannon ''s指数较高，说明冷暴露可能导致细菌种类丰度分布均匀。β-多样性结果显示，RT、LT和FT小鼠的微生物群组成和丰度存在显著差异。此外，该研究还对这些粪便材料进行了宏基因组测序。LEfSe分析显示了各组小鼠中的特征菌群。FT小鼠的特征肠道菌群为：Parabobacterides_distasonis、Duncaniella_dubosii、Paratutterella_sp._nm82_d38、Clostridium_sp._CAG:557、Bacteroides_sp._224、Prevotella_ihumii。同时还注意到FT组的一些肠道微生物群减少，包括Candidatus_Amulumruptor, Roseburia, Eubacterium, Enterocloster, Eisenbergiella 和 Kineothrix。这些结果提示，温度波动会影响小鼠的微生物群组成，但是其是否参与了肌少症的发生过程还有待进一步探讨。

图3. FT处理会改变小鼠微生物群的组成

Result4 移植FT小鼠微生物群会抑制肌肉功能

为了验证温度波动引起的肌肉功能障碍是否由肠道菌群改变介导，该团队进行了粪便菌群移植(FMT)实验。将12月龄小鼠分为三组，分别用RT (FMTrt)、LT (FMTlt) 和FT (FMTft) 小鼠的粪便处理。粪菌移植结果表明，与FMTrt和FMTlt小鼠相比，FMTft小鼠肌肉功能减弱，肌肉质量下降，大肌肉纤维平均横截面积减少，胫骨前肌氧化纤维数量减少，腓肠肌中肌肉生长抑制素的mRNA水平较高。这些发现表明，温度波动引起的肠道微生物群改变会导致肌肉萎缩和功能障碍。

图4. 移植FT小鼠微生物群会抑制肌肉功能

Result5 FT处理导致肌肉线粒体功能障碍

为了探究FT小鼠肌肉功能受损和氧化肌纤维减少是否影响了线粒体功能，进一步检测了FT和FMTft小鼠线粒体的形态和功能指标。结果显示FT小鼠和FMTft小鼠的腓肠肌线粒体尺寸减小，腓肠肌ATP含量降低和ROS水平升高，线粒体膜电位（ΔψM）减少。这些结果证实了FT处理会抑制肌肉组织中的线粒体功能。为了进一步探讨线粒体功能障碍的影响因素，该团队采用qRT-PCR分析了相关基因，发现参与线粒体生物发生和线粒体动力学的基因没有显著差异，然而与自噬和线粒体自噬相关的基因Beclin1、Atg5、Pik3c3和Park2在FT小鼠腓肠肌中显著降低。这些发现表明，FT处理会损害肌肉中的线粒体功能，同时抑制自噬和线粒体自噬相关标记物。

图5. FT处理导致肌肉线粒体功能障碍

Result6 赖氨酸降解代谢物氨基己二酸介导FT诱导的肌肉萎缩和功能障碍

为了阐明微生物群组成改变与肌肉线粒体功能障碍之间的联系，该团队假设可能有一种代谢物的改变导致了这些影响。宏基因组测序的KEGG分析鉴定出与代谢相关的赖氨酸降解通路在FT小鼠中有差异增强。通过测定循环中赖氨酸及其降解产物氨基己二酸(α-AA)的水平，发现与RT小鼠相比，FT小鼠的赖氨酸水平无显著差异，而α-AA水平显著升高。为了进一步验证α-AA水平升高影响肌肉功能的假设，该团队进行了α-AA注射实验，发现给予α-AA的小鼠表现出与FT小鼠相似的表型，协调能力、肌肉力量和耐力下降，股四头肌肌肉质量、肌纤维面积和氧化肌纤维数量明显减少，肌萎缩相关基因的mRNA水平升高。此外，α-AA处理小鼠的腓肠肌中也发现ATP含量和ΔψM降低。这些发现表明α-AA可能是肌肉组织中微生物群组成改变和线粒体功能受损之间的关键联系。

图6. 赖氨酸降解代谢物氨基己二酸介导FT诱导的肌肉萎缩和功能障碍

Result7 α-AA通过抑制线粒体自噬损害线粒体功能

基于FT处理小鼠肌肉中自噬和线粒体自噬相关标志物水平的降低，该团队进一步探究α-AA补充是否直接导致C2C12细胞系中线粒体自噬减少。结果发现α-AA补充后分化的C2C12肌管的自噬生物标志物发生剂量依赖性变化。同样，α-AA补充的肌管中分离的线粒体片段也降低了泛素化和p62/SQSTM的富集，表明α-AA抑制了线粒体自噬水平。此外，还发现了α-AA补充的C2C12肌管中自噬和线粒体自噬相关基因的mRNA水平降低，α-AA补充导致了线粒体自噬通量降低。同时该团队还在体外评估了线粒体功能，结果表明在C2C12肌管中，α-AA处理导致ROS水平升高，ΔψM水平降低，ATP含量降低。为了探究恢复线粒体自噬水平是否可以改善α-AA补充导致的线粒体功能障碍，该团队构建park2过表达质粒部分增强了线粒体自噬水平。结果显示α-AA诱导的线粒体功能障碍被Park2过表达部分减弱，ATP含量和TMRE水平恢复，ROS水平降低。以上结果表明，α-AA在体外可通过抑制线粒体自噬来发挥其有害作用，而提高线粒体自噬水平可部分逆转这一作用。

图7. α-AA通过抑制线粒体自噬损害线粒体功能

Result8 补充FT小鼠粪便中缺少的真杆菌可减轻FT引起的肌肉萎缩和功能障碍，降低肌生长抑制素基因的表达

为了进一步探讨补充有益菌是否可以改善温度波动导致的肌肉功能障碍，该研究通过补充FT小鼠粪便中减少的菌群真杆菌Eubacterium，发现真杆菌补充可以部分预防波动温度引起的不良后果，延缓温度波动引起的肌肉萎缩。

参考文献

Liu Y, Guo Y, Liu Z, Feng X, Zhou R, He Y, Zhou H, Peng H, Huang Y. Augmented temperature fluctuation aggravates muscular atrophy through the gut microbiota. Nat Commun. 2023 Jun 13;14(1):3494. doi: 10.1038/s41467-023-39171-4. PMID: 37311782; PMCID: PMC10264422.

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排版人：七七

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