早期生命甜菜碱补充驱动大鼠性别特异性代谢编程并影响FGF21信号与能量平衡

《The FASEB Journal》：Early-Life Betaine Supplementation Drives Sex-Specific Metabolic Programming in Rats, Affecting FGF21 Signaling and Energy Balance

　　

研究人员旨在评估哺乳期母体饮食和甜菜碱（betaine）补充对 Fgf21（fibroblast growth factor 21 基因）表达以及与 FGF21（fibroblast growth factor 21）信号和代谢编程相关的代谢通路的影响。研究对喂饲标准饲料（chow diet, CD）或西方饮食（Western diet, WD）的 Wistar 大鼠后代在出生后第22天（postnatal day 22, PND22）和7月龄时进行了研究。哺乳期，幼鼠接受甜菜碱生理剂量补充，该剂量相当于根据乳汁摄入量估计的平均摄入量的两倍，或接受载体（vehicle, VEH）。断奶后先喂饲 CD，所有动物从第4个月至第7个月转为 WD。研究人员分析了体况参数、循环标志物以及下丘脑、腹膜后白色脂肪组织（retroperitoneal white adipose tissue, rWAT）和肝脏中的基因表达，并检测了盲肠 Akkermansia muciniphila 丰度。在 PND22，母体 WD 降低了两性的肝脏 Fgf21 表达；然而，仅雄性在 rWAT 中显示 Klb（β-klotho）表达降低，与 FGF21 信号受损一致。母体 WD 还降低了 A. muciniphila 丰度。甜菜碱增加了来自对照母鼠的雌性后代 rWAT 中 Fgfr1（fibroblast growth factor receptor 1, FGFR1）表达。至7月龄时，在 WD 母鼠所生雄性中，甜菜碱补充增加了脂肪堆积以及胰岛素和瘦素（leptin）水平，而雌性表现出改善的血浆脂质谱（较低的 NEFA 和 TG）。下丘脑 Drd2（dopamine receptor D2, DRD2）和 Fgfr1 表达进一步显示母体饮食和甜菜碱的性别特异性调节。总之，哺乳期甜菜碱补充对代谢编程产生性别特异性长期效应。雌性显示改善的脂质谱，而雄性，尤其是暴露于母体 WD 者，出现脂肪堆积增加和内分泌谱改变。研究结果提示，早期生命甜菜碱补充可通过 FGF21 相关通路的性别特异性效应调节长期代谢结局。

甜菜碱（betaine）是天然甲基供体和渗透剂，在一碳代谢中通过为 S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM）合成提供甲基，参与表观遗传调控。关键发育窗一碳代谢变化与胎儿生长轨迹改变、出生体重增加和更高肥胖程度相关，提示甜菜碱等甲基供体可能参与早期生命代谢编程。哺乳期是代谢可塑性关键窗，母体西方饮食（Western diet, WD）可经代谢和表观遗传途径使后代易患代谢功能障碍，但哺乳期也可能提供干预机会。母乳含甜菜碱，较低乳甜菜碱与婴儿早期更大生长相关。动物研究显示，母体哺乳期甜菜碱补充与成年雄性小鼠后代脂肪减少、糖稳态改善和肠道 Akkermansia 丰度增加相关；母体妊娠和哺乳期甜菜碱摄入可减轻母体高脂饮食后代的代谢后果，包括非酒精性脂肪肝，可能通过调节肠道菌群。然而多数研究关注母体补充而非直接出生后补充。FGF21（fibroblast growth factor 21）是肝源激素，在能量平衡和代谢调节中必需，通过成纤维细胞生长因子受体（fibroblast growth factor receptors, FGFRs）与共受体 β-klotho 在代谢组织和中枢神经系统信号。啮齿类中甜菜碱补充增加肝和循环 FGF21，改善糖稳态、减少肝脂积聚和增加能量消耗；Fgf21 敲除小鼠中部分效应消失。FGF21 也经下丘脑通路调节营养摄入、宏量营养素偏好和能量消耗，并影响多巴胺受体2（dopamine receptor 2, D2R）表达神经元。尚不清楚哺乳期直接给幼鼠甜菜碱能否影响长期代谢健康，尤其在母体 WD 暴露背景下，以及效应是否性别依赖并影响下丘脑能量稳态调控。因此，研究人员在大鼠模型中研究哺乳期出生后甜菜碱补充对对照和 WD 母鼠后代的长期代谢后果，聚焦 FGF21 表达及 FGF21 信号和代谢编程相关通路。

研究人员开展 Wistar 大鼠实验，母鼠喂饲标准饲料（chow diet, CD）或 WD，幼鼠哺乳期接受甜菜碱或载体（vehicle, VEH），断奶后 CD 至4月龄，再 WD 至7月龄，于 PND22 和7月龄评估。结论为哺乳期甜菜碱补充对代谢编程产生性别特异性长期影响：雌性脂质谱改善，雄性尤其母体 WD 暴露者脂肪堆积增加和内分泌谱改变；提示早期生命甜菜碱补充可通过 FGF21 相关通路的性别特异性效应调节长期代谢结局。

关键技术方法概述：研究采用 Wistar 大鼠队列，母鼠分为 CD（n=10）和 WD（n=9），饮食从交配前1个月持续至妊娠和哺乳。幼鼠 PND1 每窝调至10只并平衡性别，PND1–PND20 口服甜菜碱（剂量为哺乳平均摄入两倍，6.5–160 μg/天）或 VEH。PND22 处死部分，其余 CD 至4月后转 WD 至7月。关键技术包括体成分 EchoMRI、血糖仪、血浆酶法/ELISA、RT-qPCR 检测肝、rWAT、下丘脑基因表达，PND22 盲肠粪 qPCR 定量 Akkermansia muciniphila，三因素/二因素 ANOVA、混合 ANOVA、Tukey 和 Pearson 相关。动物实验经 University of the Balearic Islands 生物伦理委员会批准（Exp. 2018/13/AEXP），部分幼鼠来自同一队列并已用于既往研究。

3.1 体重、肥胖和摄食：通过 PND22、4月和7月体重、1–7月体脂百分比、CD期和WD期摄食及7月肝脏和脂肪库重量分析，母体 WD 使 PND22 两性体重增加，该差异在4月两性及7月雄性持续，WD-BET雄性成年体重增加最明显；雄性中母体饮食与甜菜碱及母体饮食与时间存在交互，WD-BET雄性1–2月体脂百分比高于相应对照；雌性母体饮食和时间影响体重但无交互。7月母体 WD 增加体脂及体脂百分比，并在雄性增加体重和肝脏重量；雄性体脂尤其受母体 WD 加甜菜碱增加。rWAT（雄性）和腹股沟白色脂肪组织（inguinal white adipose tissue, iWAT）（两性）重量在母体 WD 后增加，但 iWAT 占总体脂比例因母体 WD 和甜菜碱降低，雄性更明显。棕色脂肪组织（brown adipose tissue, BAT）中观察到母体饮食与甜菜碱交互；雌性母体 WD 增加 BAT 质量，雄性母体 WD 降低 BAT 百分比，雌性 BAT 百分比有母体饮食与甜菜碱交互。CD期母体 WD 雄性摄入更多热量；WD期两性受母体 WD 影响，雄性显著。

3.2 循环代谢参数：通过7月 ad libitum 和5.5月空腹血浆参数分析，ad libitum 血糖无差异；空腹母体 WD 升高雌性血糖，雄性无差异。ad libitum 胰岛素中，哺乳期甜菜碱增加 WD 母鼠雄性胰岛素，CD 后代无此效应；雌性无显著效应。空腹母体 WD 增加雌性胰岛素和胰岛素抵抗稳态模型评估（Homeostatic Model Assessment for Insulin Resistance, HOMA-IR）。母体 WD 和甜菜碱增加瘦素（leptin）水平，雄性更明显。胆固醇在 WD 母鼠雄性后代增加，雌性无显著变化。雌性中甜菜碱降低非酯化脂肪酸（nonesterified fatty acids, NEFA），并有降低甘油三酯（triglycerides, TG）趋势（p=0.057），与母体饮食无关。雄性 NEFA 存在母体饮食与甜菜碱交互：SD 中甜菜碱有降低趋势，WD 中相反。空腹 FGF21 在母体 WD 后两性升高；ad libitum 下无显著差异。

3.3 肝脏和 rWAT 中 Fgf21 及其受体/共受体信号复合物表达：通过 PND22 和7月 RT-qPCR 分析，PND22 母体 WD 降低两性肝 Fgf21；甜菜碱降低雄性 Fgf21，雌性无此效应。rWAT 中母体 WD 降低 Fgf21，尤其雄性。FGF21 信号组分中，母体 WD 不影响 Fgfr1，但降低雄性 Klb。甜菜碱增加 CD 母鼠雌性后代 rWAT 中 Fgfr1，WD 后代无此效应。7月时，肝和 rWAT 的 Fgf21 及 rWAT 的 Fgfr1、Klb 出现明显性别差异；肝 Fgf21 在 WD 后代增加，雄性显著；rWAT 的 Fgf21 无显著变化；Fgfr1 在雄性因母体 WD 增加，Klb 仅在雄性因甜菜碱增加。

3.4 肝脏和 rWAT 能量与脂质代谢相关基因表达：7月时，肝中甜菜碱补充降低 Irs1（insulin receptor substrate 1, IRS1）和 Srebp1（sterol regulatory element-binding protein 1, SREBP1）表达，尤其雌性；母体 WD 仅在雄性下调 Scd1（stearoyl-CoA desaturase 1, SCD1）。Insr（insulin receptor, INSR）无组间差异，但雌性高于雄性。rWAT 中多数胰岛素和瘦素信号相关基因无显著差异；合并两性分析时，哺乳期甜菜碱增加 Stat3（signal transducer and activator of transcription 3, STAT3）。Adrb3（β₃-adrenergic receptor, ADRB3）因母体 WD 降低；Pnpla2（patatin-like phospholipase domain-containing protein 2, PNPLA2）因甜菜碱上调。性别差异表现为雌性 Pten（phosphatase and tensin homolog, PTEN）、Lep（leptin, LEP）、Stat3、Creb（cAMP response element-binding protein, CREB）和 Pnpla2 较低，Irs1 较高。

3.5 下丘脑食欲调控和神经内分泌信号相关基因表达：7月时，甜菜碱在雌性（不论母体饮食）和 WD 母鼠雄性后代中上调 Drd2 和 Fgfr1。Prkaa2（AMP-activated protein kinase catalytic subunit α₂, PRKAA2）因母体 WD（尤其雄性）和甜菜碱（尤其雌性）降低；Insr 因甜菜碱在雌性降低。神经肽方面，甜菜碱增加 Agrp（agouti-related peptide, AgRP）（雌性更明显）和 Pomc（pro-opiomelanocortin, POMC）在雌性及 WD 母鼠雄性后代中的表达。Npy（neuropeptide Y, NPY）无变化；Cart（cocaine- and amphetamine-regulated transcript, CART）有性别与母体饮食交互，WD-BET雄性有升高趋势。Npy/Pomc 比值因甜菜碱在雌性（不论母体饮食）和 WD-BET雄性相比 CD-BET雄性显著降低。Bdnf（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）无组间差异，但有性别与母体饮食交互及母体饮食与甜菜碱交互趋势（p=0.056）。Lepr（leptin receptor, LEPR）无显著差异。

3.6 盲肠 Akkermansia muciniphila 丰度：通过 PND22 盲肠粪 qPCR 分析，母体 WD 显著降低 A. muciniphila 丰度，甜菜碱补充未改变该效应。

讨论部分指出，既往研究多报告母体围产期甜菜碱补充有益，但直接哺乳期给后代甜菜碱的长期效应未被探索；WD 暴露母鼠乳汁甜菜碱约低80%。本研究中母体 WD 和甜菜碱交互塑造性别依赖代谢表型：雌性 WD-BET 脂质谱改善，NEFA 降低，TG 有降低趋势；雄性 WD-BET 体脂百分比从早期到成年增加，提示直接哺乳期甜菜碱补充可能加剧而非抵消母体 WD 效应。WD-BET雄性胰岛素高于 VEH 雄性；leptin 被母体 WD 和甜菜碱增加，雄性更明显。作者认为 FGF21 可能是甜菜碱代谢效应的介导者，脂肪组织 Klb 降低与饮食诱导代谢障碍易感相关；雌性可能保留更高 FGF21 敏感性。PND22 母体 WD 降低两性肝 Fgf21，但仅雄性 rWAT Klb 降低；雌性维持 Klb，CD母鼠雌性后代甜菜碱增加 rWAT Fgfr1，提示脂肪 FGF21 相关信号存在性别差异。Fgf21 从 PND22 至成年变化提示年龄依赖；PND22 肝 Fgf21 与肥胖和循环 leptin 负相关；成年 WD 后代空腹 FGF21 和肝 Fgf21 增加，尤其雄性，可能反映慢性代谢失调补偿。肝 Srebp1 下调尤其雌性，可能有助于健康脂质谱；肝 Srebp1 和 Scd1 与血浆 TG 正相关。雄性 WD 后代 Scd1 降低可能反映长期编程。rWAT 中甜菜碱增加 Stat3，调节 leptin–STAT3 轴；Adrb3 降低提示母体 WD 相关肾上腺素信号受损；Pnpla2 增加可能增强脂解。下丘脑中 FGF21 可穿过血脑屏障激活表达 D2R (Drd2) 的 GABA 能神经元，调节摄食和能量消耗；Drd2 和 Fgfr1 表达模式提示围产期甜菜碱以性别特异方式调节 FGF21 信号。雌性补充甜菜碱和 WD-BET 雄性均上调二者；雌性可能增强 FGF21-D2R 系统敏感性，有助于更有利代谢；WD 雄性虽上调却未获代谢保护，反而更肥胖。早年代谢编程可影响食欲调控；WD 后代摄入更多热量，雄性明显；下丘脑基因仅部分解释。甜菜碱一般降低 Npy/Pomc 比值，但未阻止 WD 雄性暴食。FGF21 信号与总热量摄入增加相关；WD-BET 雄性 Drd2 和 Fgfr1 增加可能增强中枢 FGF21 反应性，Pomc 增加可能补偿高 leptin。Drd2 和 Fgfr1 强相关，并与 Agrp、Npy、Pomc、Cart 表达正相关。肠道方面，既往小鼠母体甜菜碱增加 Akkermansia，但本研究中母体 WD 降低 PND22 A. muciniphila 丰度，且不受甜菜碱影响；直接补充未重现母体补充的微生物效应，可能因补充时间和途径、母体饮食及性别交互。总体，早期甜菜碱补充效应具性别和情境依赖性；雌性脂质谱改善，雄性尤其母体 WD 暴露者脂肪堆积增加和代谢谱改变，并伴随下丘脑 Drd2 和 Fgfr1 表达差异，提示 FGF21 相关通路可能贡献长期代谢效应。需进一步研究机制。

研究结论翻译：总之，哺乳期甜菜碱补充对代谢编程施加性别特异性长期影响。雌性表现出改善的脂质谱（lipid profile），而雄性，尤其是暴露于母体 WD 者，出现脂肪堆积增加和内分泌谱改变。研究结果提示，早期生命甜菜碱补充可通过 FGF21 相关通路的性别特异性效应调节长期代谢结局。