辣椒素對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠腸道菌群的影響研究.pdf

1、肥胖癥是由遺傳因素和環(huán)境因素共同作用導(dǎo)致的營養(yǎng)代謝障礙性疾病，可以增加代謝性疾病、心血管等疾病的發(fā)病率?，F(xiàn)有的肥胖治療手段包括飲食調(diào)節(jié)/干預(yù)、運動鍛煉、手術(shù)減肥，但這些方法都存在耐受性差、副作用大或治療后反彈等缺點，亟待開發(fā)新的肥胖預(yù)防和治療方法。近年來，幾種來源于天然植物的生物分子被證實具有減肥的作用，包括辣椒素，低聚果糖，多酚，巖藻依聚糖等。辣椒作為蔬菜或調(diào)味品在全球范圍內(nèi)作被廣泛食用，其主要成分辣椒素(Capsaicin)在人體和

2、動物上的減肥作用已經(jīng)被廣泛的報道。其中涉及到的機制較為復(fù)雜，包括全身性的機體代謝調(diào)節(jié)，食物攝入量減少等。研究發(fā)現(xiàn)辣椒素激活瞬時受體電位香草醛亞家族1(Transient Receptor Potential Vanilloid1，簡稱TRPV1)鈣離子通道并增強腎上腺髓質(zhì)中的兒茶酚胺分泌，從而增強產(chǎn)熱作用起到減少體重增加的作用。研究發(fā)現(xiàn)辣椒素能減少食物攝入，且這種作用依賴于TRPV1。
　　越來越多的證據(jù)顯示腸道微生態(tài)失調(diào)在肥胖和

3、其它代謝性綜合癥中扮演了重要的角色。腸道微生物與宿主之間存在大量的生理學(xué)上和病理學(xué)上的相互作用，比如宿主能量平衡的調(diào)節(jié)、糖代謝、慢性炎癥狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)肥胖人群和肥胖小鼠中腸道微生物群落組成發(fā)生了巨大的改變。辣椒素通過TRPV1的減肥作用已經(jīng)被廣泛研究，但是辣椒素對腸道微生物群落（腸道菌群）的影響尚未見系統(tǒng)報道。
　　在微生物群落分析中，不管是基于16S rRNA基因的擴增子測序(Amplicon sequencing)還是鳥槍法宏

4、基因組測序(Shotgun metagenomics sequencing)，不管是使用何種分析流程，其生物信息分析流程都涉及多個軟件，包括大量繁雜的步驟，包括測序原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、分樣、格式轉(zhuǎn)換等等。如何準(zhǔn)確、高效地完成這些分析步驟是生物信息分析和開發(fā)研究工作者迫切需要解決的問題。
　　目的：
　　研究辣椒素對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠腸道菌群的影響;針對一種或多種腸道微生物，研究探索辣椒素改變腸道菌群結(jié)構(gòu)的機制;設(shè)計開發(fā)微生物

5、群落分析輔助工具。
　　方法與結(jié)果：
　　本研究分為三個部分：
　　第一部分：辣椒素對高脂飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響研究
　　研究喂食辣椒素9周后高脂飲食誘導(dǎo)肥胖C57BL/6J小鼠與不喂食辣椒素的肥胖小鼠之間腸道微生物群落的變化，發(fā)現(xiàn)這種辣椒素的減肥作用與腸道微生物群落的改變相關(guān)。
　　1、在微生物群落組成上，在門的水平，長期食用辣椒素的高脂飲食肥胖小鼠腸道中變形菌門（Proteobacteria

6、）豐度顯著降低。在屬的水平，擬桿菌屬（Bacteroides）、糞球菌屬（Coprococcus）、普氏菌屬(Prevotella)和阿克曼氏菌屬(Akkermansia)的豐度則顯著增加，且這些細菌豐度的增加均對健康有利。
　　2、在微生物群落功能上，與帕金森疾病有關(guān)的代謝通路、與細菌毒力相關(guān)的四型分泌系統(tǒng)代謝模塊豐度降低，而有利于改善宿主糖代謝的糖酵解代謝模塊豐度增加。
　　第二部分：辣椒素增加腸道細菌Akkermans

7、ia muciniphila豐度的機制研究
　　1、辣椒素在體外直接刺激A.muciniphila結(jié)果顯示，辣椒素在高濃度下會抑制A.muciniphila的生長，但在低濃度下也不會促進其生長;在黏蛋白(Mucin)存在下，A.muciniphila生長速度提高，在平臺期細菌密度更高。
　　2、脂餐誘導(dǎo)肥胖C57BL/6J小鼠喂食9周辣椒素后與不喂食辣椒素的肥胖小鼠相比，沒有增加腸道杯狀細胞的數(shù)量和密度。
　　3、給正

8、常C57BL/6J小鼠灌食辣椒素30分鐘后，空腸杯狀細胞主要黏蛋白基因Mue表達上調(diào)，并持續(xù)到90分鐘;腸道抗菌肽基因Reg3g的表達在結(jié)腸中穩(wěn)步上升。
　　第三部分：設(shè)計開發(fā)微生物群落分析輔助工具
　　應(yīng)對微生物群落分析的可重復(fù)性、多樣性和高效性要求，用Go語言開發(fā)多個微生物群落分析輔助工具，提供針對Windows，Linux，OS X，F(xiàn)reeBSD，OpenBSD等主流操作系統(tǒng)的單一可執(zhí)行二進制文件，無需安裝和配置，下

9、載即用，極大降低微生物和生物信息工作者的安裝和學(xué)習(xí)成本，已受到生物信息和開源社區(qū)廣大用戶的歡迎和認(rèn)可。其中SeqKit和TaxonKit均被邀請錄入英文書籍《The Biostar Handbook：A Beginner's Guide to Bioinformatics》中。
　　1、設(shè)計、開發(fā)、高度優(yōu)化FASTA/Q序列處理軟件包SeqKit，提供20個實用的子命令和豐富的文檔，提高測序數(shù)據(jù)的處理效率。
　　2、設(shè)計、開

10、發(fā)CSV/TSV格式處理軟件包csvtk，提供25個易用和實用的子命令，用于處理微生物群落分析中的數(shù)據(jù)文件。
　　3、設(shè)計、開發(fā)NCBI分類學(xué)數(shù)據(jù)處理軟件包TaxonKit，用于高效查詢、轉(zhuǎn)換NCBI生物分類學(xué)數(shù)據(jù)，用于應(yīng)對不同微生物群落分析軟件的格式需求。
　　4、設(shè)計、開發(fā)作業(yè)并行軟件rush，提供高實用性的功能，用于簡化和加速對大量處理樣品的包含微生物群落分析在內(nèi)的生物信息分析。
　　結(jié)論：
　　1、高脂飲

11、食誘導(dǎo)肥胖小鼠長期食用辣椒素能減輕體重，改善葡萄糖穩(wěn)態(tài)。這種改善作用與腸道菌群的改變有關(guān)。腸道菌群的改變及腸道細菌Akkermansia muciniphila的豐度增加可能在這種保護性作用中起到關(guān)鍵作用。因此推測辣椒素可能通過改變腸道菌群從而起到減肥作用。
　　2、辣椒素增加A.mueiniphila的可能機制包括：(1)辣椒素刺激杯狀細胞分泌更多的黏蛋白，為其提供更多的食物來源，從而使得A.muciniphila絕對豐度增加;

12、(2)腸道抗菌蛋白Reg3g分泌增加，抑制其它細菌，從而使得A.muciniphila相對豐度增加;(3)小鼠食物攝入量減少，其它細菌因食物來源減少而豐度降低，而A.muciniphila可以以黏蛋白作為唯一的氮源和氮源，不受影響從而相對豐度增加。
　　3、本研究設(shè)計開發(fā)多個跨平臺、易用、實用、高效的微生物群落分析輔助軟件，以應(yīng)對微生物群落分析的可重復(fù)性、多樣性和高效性要求，滿足日益增長的測序大數(shù)據(jù)的分析需求。FASTA/Q格式處