Cell Host & Microbe｜吃的一样多却胖的更快？瑞金医院宁光院士团队通过宏基因组发现新的“致胖菌”

粪便样品、血液样品、组织样品；

宏基因组、全基因组、转录组、小鼠定植、细胞试验；

与对照组相比，肥胖者肠道微生物组的α多样性和不同组成显著降低。三种肥胖指标，包括BMI、体重和腰围，被发现与肠道微生物组成显著相关。属水平top10物种中，Bacteroides、Faecalibacterium、Alistpipes、Subdoligranulum和Parabacteroides在肥胖中显著降低，Megamonas是肥胖中最显著升高的属。基于聚类，得到3个肠型，分别由Megamonas属、Prevotella属和Bacteroides属驱动，三个集群在微生物组成和α多样性方面存在显著差异，与其他集群相比，集群M始终与肥胖比例显著较高相关。

与对照组相比，所有三种已鉴定的巨单胞菌，即M. rupellensis, Megamonas hypermegale, and Megamonas funiformis,在肥胖个体中更为普遍和丰富。此外，在整个队列中发现的这些巨单胞菌种类与BMI、腰围或体重之间的正相关，特别是在肥胖个体中仍然显著。

遗传变异和微生物组成的特定改变被证明会影响肥胖的发展。对814个个体进行了全基因组测序。为了估计遗传对肥胖的影响，从日本普通人群（JPN）和英国生物银行（UKB）中收集了BMI相关的单核苷酸多态性（snp），生成PRSs （PRSJPN和PRSUKB）。随后，基于PRS的遗传影响估计应用于实验队列的BMI。

肥胖个体的两项PRS值明显高于正常体重的对照组。接着结合微生物分布（存在/不存在）和丰度数据来选择BMI相关物种，并计算每个人基于微生物组的肥胖风险评分，发现，年龄、性别和PRSJPN以及这些指标与MRS联合解释的BMI方差的平均比例分别为10.6%和15.3%。随后，根据PRS的中位数将814名受试者分为低PRS （LPRS）和高PRS （HPRS）肥胖组，发现肠道微生物组解释了LPRSJPN组比HPRSJPN组高得多的BMI方差比例，并且肥胖者和对照组之间肠道微生物组的组成差异在LPRS组比HPRS组更为明显。进一步分析发现，在所有LPRSJPN分层分类中，巨型单胞菌携带者始终比非携带者表现出更高的肥胖比例和显著升高的BMI。

对常规饲养的无特定病原体小鼠（SPF）喂食正常饲料（NCD）或高脂肪饲料（HFD），以及设置M.rupellensis定植实验组，以进一步研究M.rupellensis对肥胖的潜在因果影响。确定M.rupellensis菌有效定植后，比较两组HFD刺激组的代谢变化，发现与喂食HFD的对照组相比，M.rupellensis补充组的体重明显增加，且脂肪质量显著增加。此外，添加了M.rupellensis的HFD小鼠腹股沟皮下白色脂肪组织（iWAT）和附睾白色脂肪组织（eWAT）的脂肪组织重量和脂肪细胞大小也显著增大，且血清瘦素、血糖和血清TG均升高，组织学检查也表明，与对照组相比，补充了M.rupellensis的小鼠肝脏中的脂质沉积更多，以及M.rupellensis给药小鼠的食物效率高于对照组小鼠，而食物摄入量没有任何显著差异。总之，这些数据表明，M.rupellensis加剧了HFD诱导的肥胖和代谢紊乱。

随后，使用饲喂HFD的无菌（GF）小鼠验证了这些观察结果，与大肠杆菌单定植小鼠相比，M.rupellensis定植在双定植小鼠中更显著地加重了体重增加，在被M.rupellensis定植的小鼠中，iWAT和eWAT的重量也明显更高，且小鼠的脂肪细胞更大。此外，血清瘦素和代谢参数，包括循环葡萄糖、TG和肝脏TG含量，在M.rupellensis定植后均升高。这些结果证实了M.rupellensis的促肥胖作用。

接着，作者研究了M.rupellensis引起肥胖和代谢功能障碍的原因。由于M.rupellensis在HFD饲养条件下特别提高了食物效率，所以假设它可能对脂质代谢有影响。发现，与对照组小鼠相比，M.rupellensis定植的小鼠粪便TG排泄减少，空肠中的脂肪积累更多，表明M.rupellensis定植后空肠脂肪吸收增加。进一步对两组小鼠空肠组织进行了RNA测序，发现1610个基因在双定植小鼠空肠组织中表达水平发生改变，其中17个基因显著上调，37个基因下调。基因集富集分析（GSEA）表明，在M.rupellensis定植组中，脂肪消化和吸收途径是上调最多的途径，与上皮脂肪酸运输和TG合成相关的多个基因富集。

通过实时荧光定量PCR检测Cd36、Slc27a4、Fabp2、Dgat2和Gpat3基因的mRNA表达，进一步验证了上述发现。这些结果表明，M.rupellensis通过增强脂质转运和吸收来促进hfd诱导的肥胖。

队列中有6条肥胖富集途径主要由巨单胞菌（占群落总丰度的50%）贡献，如甘油降解、肌醇降解、己醇发酵和多胺生物合成，Megamonas和M. rupellensis分别贡献了负责肌醇降解途径的总群落丰度的81.3%和29.9%，5个参与肌醇降解的基因（iolG 1.1.1.18、iolI 5.3.99.1、iolE 4.2.1.44、iolD 3.7.1.22和iolB 5.3.1.30）在肥胖个体中的丰度均显著高于对照组，并在M. rupellensis DSM19944的基因组序列中被鉴定出来。

鉴于肌醇缺乏与代谢功能障碍之间已建立的联系，假设肌醇降解与M. rupellensis定植诱导的脂质吸收增强之间存在潜在联系。发现，与大肠杆菌单定植小鼠相比，大肠杆菌+M. rupellensis双定植小鼠粪便中肌醇降解基因的mRNA表达显著增加，粪便中肌醇的含量在M. rupellensis定植后几乎耗尽。当在补充肌醇的培养基中培养M. rupellensis时，其生长速度没有受到影响，但与对照培养基相比，它引起了肌醇水平显著的、时间依赖性的下降。这证实了M. rupellensis降解肌醇的能力。此外，使用bodipy-C16进行的脂肪酸摄取试验表明，补充肌醇抑制了小肠类器官对脂肪酸的吸收。同时，补充肌醇显著抑制油酸刺激的小肠类器官中编码脂肪酸转运蛋白的基因，包括Cd36、Fabp2和Slc27a4的mRNA表达。这些结果表明肌醇对脂肪酸摄取有抑制作用，这与在M. rupellensis定植的小鼠中观察到的结果相反。这些数据表明，M. rupellensis可能通过降解肌醇来促进脂质吸收。

为了进一步证实肌醇降解对脂质吸收的影响，在缺乏肌醇代谢能力的大肠杆菌菌株中过表达肌醇降解途径的初始酶iolG，然后在喂食HFD的GF小鼠中定植对照大肠杆菌和大肠杆菌菌株。与M. rupellensis定植的GF小鼠相似，大肠杆菌定植显著降低了粪便肌醇水平，导致体重增加、脂肪组织重量和脂肪细胞大小增加。大肠杆菌定植的小鼠也表现出更高的血清瘦素、血糖和肝脏脂肪沉积。重要的是，大肠杆菌定植的GF小鼠提高了进食效率，减少了粪便TG排泄。综上所述，这些发现表明肠道微生物对肌醇的降解促进了肠道脂质吸收。

许多研究报告了肠道微生物群在肥胖中的关键作用。然而，导致肥胖的特定微生物及其潜在机制仍未确定。本研究对631名肥胖受试者和374名正常体重对照者进行了宏基因组测序，并在肥胖受试者中发现了一个以巨单胞菌为主的肠型样集群。在体外和体内实验中均证实，M. rupellensis具有肌醇降解基因，添加肌醇可有效抑制肠道类器官对脂肪酸的吸收。此外，用异种表达肌醇降解iolG基因的M. rupellensiss或大肠杆菌定植的小鼠表现出肠道脂质吸收增强，从而导致肥胖。本文揭示了M. rupellensis作为肌醇降解物的作用，增强脂质吸收和肥胖，为未来的肥胖管理提供了潜在的策略。