高脂饮食诱导的小鼠肠道微生物群落重塑的时序动态研究

《BMC Microbiology》：Gut microbiota restructuring during diet-induced obesity: a dense longitudinal study reveals phasic perturbation, network hubs, and temporally ordered taxonomic shifts

　　

摘要

背景

饮食诱导的肥胖与肠道微生物群落的深刻变化相关，然而这些变化的时序动态特征，包括分类学更替的顺序、速率及阶段特异性，仍未完全阐明。

方法

小鼠被随机分配至正常饮食组（ND，n = 19，每笼4–5只）或高脂饮食组（HFD，n = 20，每笼5只），在70天内于12个时间点（D1、D3、D5、D7、D14、D21、D28、D35、D42、D56、D63、D70）共收集468份粪便样本，涵盖急性期、早期、中期和晚期阶段。采用16S rRNA V3-V4基因测序分析微生物组成。评估了α多样性和β多样性，并运用ANCOM-BC2和MaAsLin3进行差异丰度分析，以确保稳健地识别饮食响应性分类群。采用共现网络分析、群落状态建模、指示物种分析、时序互相关分析和PICRUSt2功能预测来表征生态动力学特征。

结果

高脂饮食显著降低了α多样性（Shannon指数：HFD 4.58 ± 0.53 vs. ND 5.03 ± 0.34，p < 0.001）并改变了群落组成（PERMANOVA饮食因素R2 = 0.177，p = 0.001）。两种分析方法一致鉴定出5个属的差异丰度：乳球菌属（在HFD中富集，Log2FC = 6.31）、Taurinivorans（富集，Log2FC = 4.41）、Duncaniella（耗竭，Log2FC = -3.22）、Lepagella（耗竭，Log2FC = -2.82）和CAG-873（耗竭，Log2FC = -2.71），效应量较大（|Cohen's d| = 1.22–2.24）。每只小鼠的相关性分析证实了这些菌属与体重的显著关联（|ρ| = 0.67–0.82，所有p.adj < 0.001）。其中4个属在度中心性排名中位列前10个网络枢纽。时序分析揭示了微生物重塑的多个不同阶段，其中乳球菌属在急性期迅速扩张，而Duncaniella则呈进行性耗竭。互相关滞后分析表明，Duncaniella的耗竭先于体重增加（峰值出现在滞后?2，r = -0.31，效应中等），而Taurinivorans的富集则发生在体重增加之后（峰值出现在滞后+1，r = +0.31，效应中等）。群落状态分析鉴定出两种不同的构型，其中HFD小鼠表现出更高的不稳定性（15.8% vs. 7.1%的转换率）。指示物种分析鉴定出23个与特定时间阶段显著相关的属，其中乳球菌属是慢性期最强的指示物种（IndVal = 0.924）。PICRUSt2功能预测揭示了深刻的代谢重编程，342条通路发生显著改变（占测试通路的63%），包括简单碳水化合物降解通路的富集和复杂多糖利用通路的耗竭，这与观察到的分类学变化一致。

结论

本研究描绘了高脂饮食诱导的肠道微生物群落重塑的时序进程，揭示了一个多阶段模型，其中急性期的快速、分类群特异性反应之后是进行性的组成改变和慢性不稳定性。分析将Duncaniella的耗竭区分为体重增加的潜在时间先导，而Taurinivorans的富集似乎继发于代谢恶化。这些发现确定了特定的微生物靶点，并刻画了干预的关键时间窗口。