中科院學(xué)者揭示“腸道菌群—腸—腦”互作調(diào)控動物對寒冷環(huán)境的適應(yīng)機制
圖1 低溫改變布氏田鼠的腸道菌群結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)產(chǎn)熱功能 (a) Alpha多樣性； (b) 基于未加權(quán)Unifrac距離算法的NMDS圖；(c) LEfSe分析鑒定不同組中的差異標(biāo)志菌；(d) 門級水平上的相對豐度； (e) 特定OTU與生理指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。
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冬季的嚴(yán)寒和食物短缺對于溫帶地區(qū)非冬眠哺乳動物的生存是極大的挑戰(zhàn)。恒溫動物維持高而恒定的體溫需要付出很高的代價。褐色脂肪組織（brown adipose tissue, BAT）產(chǎn)熱（非顫抖性產(chǎn)熱）是一種高效迅速的產(chǎn)熱方式，受交感神經(jīng)支配，在小型哺乳動物（包括冬眠動物）的體溫調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。當(dāng)動物受到寒冷等信號刺激時，支配BAT的交感神經(jīng)末梢釋放去甲腎上腺素，去甲腎上腺素通過作用于BAT細(xì)胞膜上的β3腎上腺素能受體，激活蛋白激酶A信號通路，即cAMP-PKA-pCREB通路，誘導(dǎo)線粒體內(nèi)膜上的產(chǎn)熱蛋白—解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1, UCP1）的表達(dá)，提高非顫抖性產(chǎn)熱能力，維持恒定的體溫。動物體內(nèi)的腸道微生物是否參與了動物的體溫調(diào)節(jié)和代謝產(chǎn)熱過程呢？
王德華研究組曾發(fā)現(xiàn)，對于動物越冬具有重要意義的聚群行為（huddling）可提高布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）腸道菌群的豐富度和多樣性，增加有益菌而降低有害菌的數(shù)量，提高代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸的含量，為宿主提供能量來源，通過菌群移植等多個實驗揭示了腸道菌群介導(dǎo)聚群行為的能量節(jié)省機制，為理解腸道菌群與宿主的協(xié)同進化提供了新的視角（Zhang et al., 2018, Microbiome 6: 103）。
腸道菌群對于小型哺乳動物的越冬具有重要作用。該研究組最新的一項研究，進一步揭示了腸道菌群與宿主之間相互作用調(diào)控動物對寒冷環(huán)境的代謝適應(yīng)機制。研究發(fā)現(xiàn)，布氏田鼠在低溫環(huán)境下攝食量和產(chǎn)熱增加，同時腸道中單胺類神經(jīng)遞質(zhì)、增食類激素（ghrelin）、短鏈脂肪酸含量也明顯增加，腸道菌群結(jié)構(gòu)有明顯改變。通過配對飼喂（pair-feeding）實驗（即對低溫暴露的動物飼喂與常溫對照組相同的食物量），驗證了低溫導(dǎo)致了腸道菌群的改變，而非攝食量增加所致。那么，腸道菌群是如何影響動物的產(chǎn)熱調(diào)節(jié)呢？通過菌群移植實驗，結(jié)合藥理學(xué)實驗（注射β3腎上腺素能受體拮抗劑或PKA信號通路阻斷劑），確證了低溫菌群通過激活去甲腎上腺素—PKA信號通路，促進了產(chǎn)熱蛋白UCP1的表達(dá)。此外，根據(jù)負(fù)反饋調(diào)控理論，進一步驗證了宿主的神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素的增加反過來也會對腸道菌群的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。這項研究表明“腸道菌群—腸—腦”互作調(diào)控動物對寒冷環(huán)境的適應(yīng)能力，揭示了非冬眠小型哺乳動物與其共生菌群的協(xié)同進化機制。
圖2 腸道微生物—腸—腦互作調(diào)控動物在寒冷環(huán)境的代謝和產(chǎn)熱
這項研究工作以 “The microbiota-gut-brain interaction in regulating host metabolic adaptation to cold in male Brandt’s voles (Lasiopodomys brandtii)”為題于2019年8月27日在線發(fā)表于the ISME Journal上。
期刊文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41396-019-0492-y
注：本文轉(zhuǎn)載自中國科學(xué)院動物研究所。
