小麦不溶性膳食纤维以肠道菌群依赖的方式减轻高脂饮食诱导的脂质代谢紊乱：菌群相关支链氨基酸的相关性证据及推测的以 AMPK 为核心的信号通路假设

《Food Bioscience》：Wheat insoluble dietary fiber attenuates high-fat diet-induced lipid metabolic disorders in a gut microbiota-dependent manner: correlative evidence for microbiota-associated branched-chain amino acids and a putative AMPK-centered signaling hypothesis

　　摘要膳食纤维介导的肠道菌群调控是管理代谢性疾病的一项有前景的策略。麦麸是小麦全球生产的主要副产品，富含不溶性膳食纤维。然而，小麦不溶性膳食纤维（WIDF）影响代谢的宿主-微生物相互作用尚未得到充分表征。本研究显示，同步补充WIDF可减轻高脂饮食（HFD）诱导的代谢功能障碍，在第12周使体重下降14%（P < 0.05），并改善肝脏脂肪变性和肥胖。WIDF还显著改善了血液和肝脏脂质谱（血清和肝脏TC分别降低29.4%和29.9%；血清和肝脏TG分别降低23.7%和45.7%；P < 0.05），通过降低MDA含量并提高GSH水平减轻氧化应激，并增强葡萄糖耐受性（P < 0.05）。多个细菌属，包括norank_f_Muribaculaceae、Romboutsia和Candidatus_Saccharimonas，与这些代谢改善相关。相关性代谢组学分析鉴定出与微生物群相关的L-亮氨酸和L-缬氨酸这两种支链氨基酸（BCAAs）为候选代谢物。体外HepG2实验表明，在超生理浓度下，L-亮氨酸和L-缬氨酸与AMPK相关信号通路的改变相关，并与减少油酸诱导的脂质蓄积相关。抗生素耗竭和粪便菌群移植实验支持了肠道菌群参与WIDF代谢效应的作用。WIDF相关肠道菌群变化、BCAAs可用性与AMPK相关信号通路之间观察到的关联提出了一个需要进一步体内验证的假说。引言日益加重的全球代谢性疾病负担，主要由慢性高脂饮食（HFD）摄入引起的脂质失调所驱动，凸显了对创新型饮食干预措施的迫切需求。膳食纤维（DF）通过几种核心物理化学机制调节脂质代谢，包括高膨胀能力、抗胃部降解以及增强胆汁酸螯合能力。作为小麦加工的主要副产品，小麦膳食纤维（WDF）由可溶性（SDF）和不溶性（IDF）两部分组成，按水溶性划分。与SDF相比，IDF的顽固微观结构——以密集的结晶区和有限的微生物可及性为特征——限制了其发酵效率。因此，IDF调节脂质代谢的机制基础仍未完全阐明。我们之前的研究表明，小麦不溶性膳食纤维（WIDF）可改善db/db小鼠受损的脂质和葡萄糖稳态。然而，WIDF通过这些系统效应发挥作用的宿主-微生物相互作用和代谢通路仍未得到充分表征，这代表了功能性碳水化合物应用中的关键知识空白。现有证据支持肠道菌群作为脂质代谢的主要调节者，通过其代谢物信号传导和对脂肪合成通路的转录调控发挥作用。特别是，肠道菌群相关的氨基酸代谢物有助于塑造微生物群落结构，并调节肠外脂质代谢稳态。微生物对氨基酸代谢的重编程已被证明可直接影响肝脏脂肪合成和脂肪组织炎症。此外，循环氨基酸升高与AMP活化蛋白激酶（AMPK）的激活有关，AMPK是细胞能量稳态的主要调节者，协调多条代谢通路，并代表代谢性疾病的有前景的治疗靶点。药理学激活AMPK已被证明可通过恢复系统性代谢平衡来减轻脂质代谢障碍。因此，维持肠道生态系统稳定性并调节微生物影响的氨基酸代谢对于恢复脂质稳态和对抗代谢异常至关重要。新兴研究表明，DF对代谢性疾病的保护作用很大程度上是通过肠道菌群介导的。虽然SDF主要通过发酵调节微生物群，但IDF通过作为物理支架发挥作用，为微生物定植提供生态位，从而改变空间竞争并有选择地富集特定细菌类群。值得注意的是，WIDF的刚性多孔基质已被证明可作为共同定植菌（如Muribaculaceae、Bacteroides和Alistipes）的选择性富集支架，这些菌与脂质稳态的调节有关。因此，我们假设WIDF对脂质代谢障碍的缓解涉及肠道菌群的结构和代谢重塑。在本研究中，我们评估了WIDF在HFD诱导的脂蛋白血症小鼠模型中的预防效果。采用抗生素介导的菌群耗竭、粪便菌群移植（FMT）、16S rRNA基因测序和靶向氨基酸代谢组学来调查肠道菌群在WIDF效应中的作用。同时也考察了与AMPK相关信号通路的关联。总的来说，本工作确定了WIDF诱导的肠道菌群重塑与脂质代谢改善之间的相关性联系，为基于纤维的饮食干预措施的后续假设驱动型研究提供了框架。章节摘要材料小麦不溶性膳食纤维（WIDF）购自山西斯达菲实业公司（山西，中国），报告纯度为97%。WIDF的单糖组成包括葡萄糖醛酸（79.33%）、木糖（19.56%）、甘露糖（0.97%）、鼠李糖（0.01%）和葡萄糖（0.01%）。总胆固醇（TC，A111）、三酰甘油（TG，A110）、非酯化脂肪酸（NEFA，A042）和总胆汁酸（TBA，A003）的商品试剂盒购自南京建成生物工程研究所。WIDF补充可改善HFD诱导的肥胖和代谢功能障碍雄性C57BL/6J小鼠被分为三组进行为期12周的干预：对照组（CON）、高脂饮食组（HFD）和HFD加WIDF补充组（图1A）。HFD组发展出经典肥胖表型，与CON小鼠相比，体重和李指数显著增加。值得注意的是，WIDF干预显著减轻了HFD诱导的增加，但不影响食物摄入和能量摄入（图1B-C，S1A-B）。体成分分析显示WIDF讨论肠道菌群被视为对抗代谢综合征和肥胖的一个有前景的可调节靶点，为治疗脂质代谢障碍——糖尿病和心血管疾病的公认危险因素——提供了一条新途径。近期研究表明，通过膳食纤维调节肠道菌群可能为改善代谢性疾病提供新策略。小麦是富含不溶性膳食纤维的主要谷物。先前的研究结论总之，本研究确定了10%（w/w）WIDF补充、HFD诱导的肥胖和脂质失调的改善以及小鼠肠道菌群变化之间的相关性联系，这由抗生素耗竭和FMT实验证实。多组学数据显示，WIDF与肠道微生物组成改变以及结肠中与微生物群相关的L-亮氨酸和L-缬氨酸浓度升高有关。体外肝细胞实验表明，这些BCAAsCRediT作者贡献声明hongwang dong：撰写—初稿、验证、软件。Wenting Peng：软件、资源、调查。Xihan Sun：监督、软件、资源。Wei Fang：撰写—审查和编辑、资源、调查。Zhengyu Huang：可视化、验证、项目管理。Ge Song：监督、资源、资金获取。Wentao Qi：撰写—审查和编辑、验证、资源ARRIVE本手稿中描述的所有动物实验均严格按照ARRIVE动物研究报告指南进行。提供带有与动物实验信息对应的交叉引用行号的完整ARRIVE检查表作为补充文件1。利益冲突作者声明不存在利益冲突。数据可用性声明支持本研究结果的测序数据可在国家微生物数据中心（NMDC，中国）获取，登录号为NMDC10019725（https://nmdc.cn/）。伦理审批本动物研究获得了国家粮食和物资储备局动物伦理与福利委员会的伦理审批（方案编号2024-11-FW）。所有实验动物在最终采样程序后接受人道处死。竞争利益声明作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。致谢本研究得到了国家自然科学基金（32502946）和国家动物营养重点实验室（2004DA125184G2102）的支持。Hong-Wang Dong | Xi-Han Sun | Wen-Ting Peng | Ge Song | Zheng-Yu Huang | Wen-Tao Qi | Wei Fang