王德華研究組揭示“腸道菌群—腸—腦”互作調控動物對寒冷環境的適應機制

  冬季的严寒和食物短缺对于温带地区非冬眠哺乳动物的生存是极大的挑战。恒温动物维持高而恒定的体温需要付出很高的代价。褐色脂肪组织(brown adipose tissue, BAT)产热(非颤抖性产热)是一种高效迅速的产热方式,受交感神经支配,在小型哺乳动物(包括冬眠动物)的体温调节中发挥关键作用。当动物受到寒冷等信号刺激时,支配BAT的交感神经末梢释放去甲肾上腺素,去甲肾上腺素通过作用于BAT细胞膜上的β3肾上腺素能受体,激活蛋白激酶A信号通路,即cAMP-PKA-pCREB通路,诱导线粒体内膜上的产热蛋白—解偶联蛋白1(uncoupling protein 1, UCP1)的表达,提高非颤抖性产热能力,维持恒定的体温。动物体内的肠道微生物是否参与了动物的体温调节和代谢产热过程呢?

  王德華研究組曾發現,對于動物越冬具有重要意義的聚群行爲(huddling)可提高布氏田鼠(Lasiopodomys brandtii)肠道菌群的丰富度和多样性,增加有益菌而降低有害菌的数量,提高代谢产物短链脂肪酸的含量,为宿主提供能量来源,通过菌群移植等多个实验揭示了肠道菌群介导聚群行为的能量节省机制,为理解肠道菌群与宿主的协同进化提供了新的视角(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控動物對寒冷環境的代謝適應機制。研究發現,布氏田鼠在低溫環境下攝食量和産熱增加,同時腸道中單胺類神經遞質、增食類激素(ghrelin)、短鏈脂肪酸含量也明顯增加,腸道菌群結構有明顯改變。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),驗證了低溫導致了腸道菌群的改變,而非攝食量增加所致。那麽,腸道菌群是如何影響動物的産熱調節呢?通過菌群移植實驗,結合藥理學實驗(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,促進了産熱蛋白UCP1的表達。此外,根據負反饋調控理論,進一步驗證了宿主的神經遞質去甲腎上腺素的增加反過來也會對腸道菌群的結構産生調節作用。這項研究表明“腸道菌群—腸—腦”互作調控動物對寒冷環境的適應能力,揭示了非冬眠小型哺乳動物與其共生菌群的協同進化機制。

  这项研究工作以 “The microbiota-gut-brain interaction in regulating host metabolic adaptation to cold in male Brandt’s voles (Lasiopodomys brandtii)”为题于2019年8月27日在线发表于the ISME Journal上。环宇娱乐農業蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室动物生理生态学研究组博士研究生薄亭贝和副研究員张学英为共同第一作者,王德华研究員和张学英副研究員为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金面上项目和北京市自然科学基金面上项目的资助。

  期刊文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41396-019-0492-y

  文章原文鏈接:https://rdcu.be/bPEi7

图1 低温改变布氏田鼠的肠道菌群结构和调节产热功能 (a) Alpha多样性; (b) 基于未加权Unifrac距离算法的NMDS图;(c) LEfSe分析鉴定不同组中的差异标志菌;(d) 门级水平上的相对丰度; (e) 特定OTU与生理指标的相关关系。

图2 肠道微生物—肠—脑互作调控动物在寒冷环境的代谢和产热

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