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发稿时间：2020-05-15来源：天昊生物

英文题目:gut bacterial clpb-like gene function is associated with decreased body weight and a characteristic microbiota profile

中文题目：肠道菌群clpb基因功能与减肥和特征性微生物群有关

期刊名：microbiome

影响因子：10.465

发表时间：2020年

背景：陪伴蛋白clpb(一种细菌蛋白)是α-黑素细胞刺激素（α-msh）的构象抗原模拟物，参与小鼠体重调节，在此我们研究了肠道菌群clpb基因功能与人类肥胖状况和肠道微生物群的潜在关联。

结果：肠道菌群clpb基因的kegg功能与体重指数、腰围、总脂肪质量（dexa）呈负相关。肥胖者中与clpb直接相关的几个细菌门和科的相对丰度（ra）降低。具体地说，在肥胖的受试者中，rikenellaceae, clostridiaceae , assigned firmicutes相对丰度较低，并且与肠道菌群clpb基因功能呈正相关；肠道菌群clpb基因功能也与血浆代谢产物（马尿酸和3-吲哚丙酸）和粪便羽扇豆酚有关，在这些细菌的一些序列中，还鉴定出了与大肠杆菌clpb相似的α-msh样表位。将人体粪便移植到小鼠后，在调整了供体的体重指数后，对人类clpb基因功能贡献大的细菌科也与小鼠clpb基因功能相关；clostridiaceae和prevotellaceae的相对丰度也与小鼠体重增加呈负相关；prevotellaceae绝对丰度（aa）与小鼠肠道细菌clpb基因功能呈正相关；deseq2差异分析鉴定了prevotellaceae的种类，它们与小鼠体重增加呈负相关，与肠道细菌clpb基因功能呈正相关。

结论：总之，肠道细菌clpb基因功能与肥胖状态、部分移植到小鼠体内的人体特定肠道微生物群和血浆代谢物相关。

研究背景:

肥胖正在迅速成为一种全球流行病，对其控制是制止这种趋势的首要挑战。微生物群在肥胖症和相关并发症的病理生理中的作用日益得到认可。 菌群-肠-脑轴与代谢，能量平衡，肥胖，中枢食欲的调节有关。肠道菌群可以调节肠道饱腹感和饥饿激素，例如胰高血糖素样肽1（glp-1）和生长素释放肽，它们会影响促厌食和促食欲途径，还可以影响阿黑皮质原衍生肽（pomc）和 神经肽y（npy）/刺鼠相关蛋白（agrp）神经元，最终整合到下丘脑中。

宿主的能量平衡可以通过细菌代谢产物和神经递质的产生来调节，甚至可以通过自身细菌代谢的能量收集来调节。近年来也有研究发现，细菌蛋白通过迷走神经刺激或免疫神经内分泌机制直接作用于大脑，在这一过程中起着重要作用。这些细菌蛋白之一，酪蛋白分解肽酶b蛋白同源物（clpb），已被确定为α-黑素细胞刺激激素（α-msh）的构象抗原。α-msh是一种源自阿黑皮质原衍生肽（pomc）的氨基酸，可激活下丘脑室旁核中表达的黑素皮质素-4受体（mc4r），从而促进厌食形成途径，从而调节饱腹感，能量，血压和生长。研究发现经clpb蛋白免疫的小鼠产生的抗clpb igg与α-黑素细胞刺激激素（α-msh）交叉反应，影响食物摄入和体重。此外，该研究还报告了神经性厌食症，贪食症患者的血浆抗clpb抗体水平升高。另一方面，有研究描述了常规营养供应如何稳定大肠杆菌的指数生长，在营养供应后20分钟达到稳定阶段，clpb蛋白在大肠杆菌稳定期上调，血浆中clpb与粪便中clpb的dna成正比，刺激下丘脑pomc神经元的放电速率。此外，施用益生菌hafnia alvei（一种产生clpb的细菌）减少了ob/ob肥胖症鼠和小鼠高脂饮食后的脂肪量和食物摄入。

目前几乎没有证据评估肥胖受试者的clpb基因功能。目前的信息表明，在使用meta-hit数据库进行的sillico分析中，肥胖个体的clpb基因丰度较低，并且体重指数与菌属，如enterobacter, klebsiella, hafnia，呈负相关。因此，我们的主要目的是与对照组相比，评估肥胖患者肠道细菌clpb基因功能，并评估微生物群组成和微生物衍生化合物在体重调节中的潜在作用。

研究结果：

肠道细菌clpb基因功能与人类体重下降有关

研究了131名受试者，其中76名患有肥胖症，性别和年龄与健康对照（55名）匹配（表1）。通过宏基因组测序的kegg功能注释评估了肠道细菌clpb基因功能：k03695（子类别（sc）：衰老/蛋白质家族：遗传信息处理；途径（p）：长寿调节途径-多种物种[path：ko04213] /分子伴侣和折叠催化剂[br：ko03110]；注释说明（ad）：clpb atp-依赖clp蛋白酶atp结合亚基clpb；和注释（a）：k03695）。

表1人体标本的临床特征。

结果发现肥胖受试者的这项功能明显较低（图1a；表1）。 此外，clpb样基因功能与体重指数（图1b），腰围（图1c）和总脂肪量（图1d）负相关。

图1肠道细菌clpb基因功能与人类体重下降有关。a 箱式图显示了没有肥胖症和有肥胖症的受试者之间肠道细菌clpb基因功能（k03695）的差异。 b散点图显示bmi与肠道细菌clpb基因功能之间的关系。 c散点图显示腰围与肠道细菌clpb基因功能之间的关系。 d散点图显示dexa评估的总脂肪量和肠道细菌clpb基因功能之间的关系。

由于饮食是细菌生态系统众所周知的改良剂，因此我们通过重点研究大量营养素和纤维，探索了哪些饮食成分与肠道细菌clpb基因功能（k03695）有关。 粗略衡量，总能量摄入与clpb基因功能呈负相关。调整总能量摄入和体重后，肠道细菌clpb基因功能与蛋白质，碳水化合物，脂质和纤维摄入量直接相关。 不过，在多个线性回归模型中，以肠道细菌clpb基因功能（k03695）为因变量，体重指数，性别，年龄，总能量摄入以及每种常量营养素或纤维为自变量，只有体重指数仍然与肠道细菌clpb基因功能显著相关。

肠道细菌clpb基因功能，微生物群组成和代谢产物

发现肠道细菌clpb基因功能与粪便和血浆样品中的细菌代谢产物有关。值得注意的是，clpb与血浆中的马尿酸和3-吲哚丙酸呈正相关，与粪便中的羽扇豆酚呈正相关，而与粪便中的胆酸呈负相关（图2a，b），并且常见的肠道菌群生态系统同时与这些代谢物和clpb基因功能相关（图2c）。

图2肠道细菌clpb基因功能和微生物代谢产物。a 肠道细菌类clpb基因功能（k03695）与粪便代谢物之间的显著o-pls相关系数（粪便中的数据先前使用pqn进行了归一化）。b肠道细菌clpb基因功能（k03695）与血浆代谢物之间的显著o-pls相关系数。c热图显示血浆和粪便中的重要代谢物与细菌科之间的spearman相关系数和通过fdr调整的相关p值。

对clpb基因功能贡献最大的细菌科有：厚壁菌门中的clostridiaceae, ruminococaceae, lachnospiraceae, uncultured and not assigned firmicutes, uncultured clostridiales，以及拟杆菌科中的prevotellaceae, bacteroidaceae, rikenellaceae（图3a）。有趣的是，虽然肥胖人群中未分配的firmicutes（图3b），rikenellaceae（图3c）和clostridiaceae（图3d）的相对丰度（ra）较低，但这些细菌也与肠道细菌呈clpb基因功能正相关。即使在调整了身体质量指数后，clpb基因功能与一些细菌科（clostridiaceae,ruminococaceae, not assigned firmicutes, un-cultured firmicutes）之间的关联仍然很显著。

图3 肠道细菌clpb基因功能和宏基因组学。a在每个样本中，科水平的细菌分类群对肠道细菌clpb基因功能的贡献。b-d箱式图显示了肥胖和非肥胖受试者对肠道细菌clpb基因功能贡献的前十大细菌科（相对丰度，ra）的差异。

以α-msh分子模拟为重点，对clpb样基因功能贡献最大的细菌科（图3a）在肥胖患者中也被检测到相对较低的丰度（图3b-d），例如not assigned firmicutes，rikenellaceae和clostridiaceae分别有48,192和175个序列与大肠杆菌的α-msh表位具有100％的同源性，同一性均值分别为82.13%, 92.25%, 81.36%。对clpb样基因功能也有重要贡献的其它细菌科，如uncultured clostridiales, ruminococcaceae, lachnospiraceae, uncultured firmicutes, prevotellaceae, uncultured bacteria, bacteroidaceae（图3a）有1068、766、855、265、262、149和431个序列与大肠杆菌中的α-msh表位完全同源，同一性均值分别为89.04%、85.04%、88.28%、86.44%、95.78%、90.01%和93.64%。

小鼠肠道菌群移植

最后我们在33只小鼠中测试了肠道细菌clpb基因功能，初始体重无显著差异（图3e）。抗生素治疗后，对11只小鼠进行了口服灌胃，对22只小鼠进行了粪便填充。随着时间的进行，小鼠中的clpb基因功能与体重增加呈负相关的趋势（图3f），同时与实验结束时体重增加百分比呈负相关的趋势（图3g）。人类clpb基因功能与小鼠clpb基因功能无显著相关性。然而，在调整供体的体重指数后，对人类clpb基因功能贡献较大的细菌科也与小鼠的clpb基因功能相关，例如not assigned firmicutes ,uncultured firmicutes, prevotellaceae, rikenellaceae, ruminococcaceae。此外，在人类中对肠道细菌clpb功能贡献更大的两个细菌科，clostridiaceae和 prevotellaceae与小鼠体重增加呈负相关（图3h）。小鼠中prevotellaceae的绝对丰度（aa）也与小鼠肠道细菌clpb基因功能呈正相关（图3i）。使用deseq2差异分析确定了pretelltellaceae的种类，它们在随访的第7周与小鼠的体重呈负相关（图3j），并且与肠道细菌clpb基因功能呈正相关（图3k）。

图3 肠道细菌clpb基因功能和宏基因组学。e肠道菌群移植后的小鼠体重。对照组（小鼠，m；对照组，c）显示为黄色（n = 11）；从人类肠道菌群移植的老鼠（移植，t）以蓝色显示（n = 22）。f条形图，显示了小鼠体重的平均值和标准差。g散点图，显示了小鼠体重增加百分比与肠道细菌clpb基因功能k03695（au）之间的关系。h散点图，显示了小鼠体重增加百分比与人的prevotellaceae 相对丰度之间的关系。i散点图显示了小鼠肠道细菌clpb基因功能（k03695）与pretelltellaceae绝对丰度（aa）之间的关系。j散点图，显示了小鼠的最终体重（第7周）与人类prevotellaceae baroniae绝对丰度（aa）之间的关系。k散点图显示了小鼠肠道细菌clpb基因功能（k03695）与人类供体中prevotellaceae baroniae绝对丰度（aa）之间的关系。