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节食小鼠肠道中优势乳杆菌的分离鉴定及其在衰老相关炎症中的作用

潘凤伟  
【摘要】:肠道菌群对维持宿主的健康有重要作用,它不仅与一些疾病的发生发展密切相关,还影响宿主的衰老过程。在利用一些简单的模式生物如果蝇和线虫的研究中,科学家们发现一些细菌突变株决定了宿主的寿命,且某些细菌分泌的一些小分子物质与宿主的长寿相关。然而,在具有复杂的肠道共生菌群的哺乳动物中,发现能够促进或者延缓衰老及其相关疾病发生的肠道菌群成员并阐明其作用机制,仍然具有很大的挑战性。不造成营养不良的节食的抗炎与延长寿命的作用已在多种动物模型中得到证实,而在前期研究中发现,全生命周期的节食能够引起小鼠肠道菌群发生显著变化,尤其是增加小鼠肠道中有益菌Lactobacillus的含量,且节食塑造的肠道菌群与小鼠寿命及中年时期的代谢健康显著相关。因此,节食塑造的肠道菌群及其中的关键细菌类群在节食发挥抗炎与延长寿命作用中的功能值得进一步探究。首先,为了进一步解析肠道菌群对节食处理的响应情况,我们以雄性SPF级C57BL/6J小鼠为模型,设立节食组(减少30%进食量,CR)和自由进食组(NC),进行为期84天的实验,分析短期节食处理对小鼠代谢表型的影响,并利用高通量测序的方法监测节食处理过程中小鼠肠道菌群结构的动态变化。结果显示84天的节食处理能够显著改善小鼠的代谢表型,包括葡萄糖-胰岛素稳态增强、血清炎性相关因子瘦素水平降低、抗炎性脂肪因子脂联素的分泌增加。节食处理2周使小鼠肠道中建立起一种Lactobacillus占优势的肠道菌群结构,并显著降低小鼠血液中脂多糖结合蛋白(lipopolysaccharide-binding protein,LBP;指征宿主循环系统中由肠道菌群产生的抗原总量)和系统性炎症因子TNF-α的水平。对50个响应节食处理的关键操作分类单元(operational taxonomic unit,OTU)进行共变化网络分析显示,节食小鼠肠道中丰度最高的Lactobacillus OTU与受CR抑制的大多数关键OTU呈显著负相关。节食处理在小鼠肠道中快速建立起Lactobacillus占优势的肠道菌群结构,并显著降低小鼠的系统性炎症水平,但优势Lactobacillus是否作为节食塑造的肠道菌群中的关键功能菌来发挥健康作用有待进一步验证。然后,我们采用“序列引导”的方法从节食处理约2周的小鼠粪便样品中分离出两株代表肠道中优势乳杆菌的菌株,并通过全基因组测序对这两株乳杆菌进行鉴定和比较分析。根据两株乳杆菌分离物与数据库中已有Lactobacillus murinus基因组间平均核苷酸相似性(average nucleotide identity,ANI)大于96%,将其鉴定为L.murinus,命名为L.murinus CR141和L.murinus CR147。全基因组比较分析结果显示,两株L.murinus全基因组序列组成高度相似,但长约1.6 Mb的片段在两基因组间互为倒位,且CR141和CR147分别含有40和46个菌株特异性蛋白编码序列(coding sequences,CDS)。作为节食小鼠肠道中占优势的细菌类群,这两株基因组序列高度相似的L.murinus菌株的功能需要进一步深入研究。我们利用多种研究模型分析了这两株在节食小鼠肠道中显著富集的L.murinus的功能。在TNF-α诱导的炎症Caco-2细胞模型中,添加10%的L.murinus CR147菌株的发酵液上清显著下调细胞炎性细胞因子IL-8的分泌水平。在秀丽隐杆线虫模型中,我们将L.murinus与线虫标准饮食Escherichia coli OP50混合饲喂线虫,发现以1:9比例混合E.coli OP50与L.murinus CR147显著延长线虫的寿命并增加线虫的产卵量。与L.murinus CR147菌株相比,L.murinus CR141菌株在细胞和线虫模型中均未显示类似的功能。之后我们将18月龄SPF级小鼠的粪便菌群移植到10月龄无菌小鼠中,发现添加L.murinus CR147能够显著改善衰老菌群造成的小鼠肠屏障破坏,从而减少小鼠血液中LBP含量并降低小鼠血液中TNF-α的水平。以上研究结果表明,L.murinus CR147可能作为节食塑造的肠道菌群中的关键有益细菌而对节食发挥抗炎与延长寿命的作用有重要贡献。综上所述,本研究发现从节食小鼠粪便样品中分离的优势L.murinus菌株是节食塑造的肠道菌群中对节食产生的健康效应有重要贡献的细菌。本研究对于人类抗衰老研究有重要贡献,提示我们通过选择性富集肠道中的关键有益菌能够作为改善肠屏障、减轻系统性炎症并延长寿命的新靶点。


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