《Nature》：Microbiota-mediated induction of beige adipocytes in response to dietary cues
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肠道菌群是连接饮食与宿主代谢的关键桥梁，但其调控白色脂肪组织（WAT）棕色化的具体机制尚不清晰。本研究揭示了低蛋白饮食（LPD）通过重塑肠道菌群，激活胆汁酸-法尼醇X受体（FXR）轴和细菌来源的氨-成纤维细胞生长因子21（FGF21）轴，协同促进WAT向米色脂肪转变，为营养干预改善代谢健康提供了新见解。
本研究聚焦于饮食-肠道菌群-宿主代谢的交互作用，特别是低蛋白饮食如何通过肠道微生物驱动白色脂肪组织（WAT）向产热、耗能的米色/棕色脂肪表型转变的过程。
LPDs促进WAT棕色化
研究首先在小鼠模型中发现，无论脂肪和碳水化合物含量如何变化，只要膳食蛋白水平降低，就能显著诱导腹股沟WAT（iWAT）中米色脂肪标志基因（如Ucp1、Elovl3、Cox7a1）的表达。这种诱导效应在蛋白含量降至7%或以下时达到顶峰，与经典刺激（如冷暴露或β-肾上腺素能受体激活）的诱导程度相当。低蛋白饮食（LPD）喂养6周能减少iWAT质量，增加具有多房脂滴的米色样脂肪细胞，并改善葡萄糖耐量。值得注意的是，这种棕色化效应是脂肪库特异性的（主要发生在iWAT而非性腺周围WAT），且受年龄、性别和饮食背景的调节。进一步的实验表明，限制总氨基酸或必需氨基酸（EAA）可重现棕色化，而限制非必需氨基酸（NEAA）则无此效果，提示是多种必需氨基酸的协同限制驱动了更强烈的棕色化反应。
LPD诱导的棕色化依赖于肠道菌群
机制探索发现，LPD诱导的棕色化在无菌（GF）小鼠中显著减弱，抗生素处理也能削弱此效应，表明肠道菌群是关键驱动因素。将LPD喂养小鼠的肠道菌群移植给GF小鼠，可使其在LPD喂养下重现iWAT棕色化，证明该表型可通过微生物传播。
LPD-菌群-FXR通路在棕色化中的作用
代谢组学分析揭示，LPD喂养的SPF（无特定病原体）小鼠血浆中非结合型胆汁酸（如胆酸CA、鹅脱氧胆酸CDCA）水平升高。这些胆汁酸在体外可激活法尼醇X受体（FXR）。基因敲除实验证实，全身性或脂肪细胞特异性缺失FXR（由Nr1h4编码），而非另一个胆汁酸受体TGR5（Gpbar1），会显著削弱LPD诱导的棕色化。单核RNA测序（snRNA-seq）显示，FXR在脂肪干细胞和祖细胞（ASPC）中富集。条件性敲除Dpp4+细胞（富含ASPC标记物）中的FXR，同样损害了棕色化，表明菌群衍生的胆汁酸通过激活脂肪前体细胞中的FXR来促进米色脂肪生成。
LPD驯化的菌群驱动肝脏FGF21表达
除了胆汁酸通路，研究还发现了一个独立的微生物依赖通路。LPD喂养可显著诱导SPF小鼠肝脏中Fgf21 mRNA表达和血浆FGF21蛋白水平，但在GF小鼠中无此现象。Fgf21基因敲除小鼠在LPD喂养下，其iWAT棕色化和体重减轻效应均被削弱，类似于GF小鼠的表型。然而，单独给予重组FGF21不足以在对照饮食喂养的GF小鼠中诱导棕色化，说明需要菌群提供的其他信号（如胆汁酸-FXR轴）共同作用。肝脏snRNA-seq证实Fgf21在肝细胞中特异性诱导。FXR缺失和FGF21缺失小鼠的iWAT基因表达谱不同，且两者血浆中的胆汁酸和FGF21水平互不影响，表明胆汁酸-FXR和氨-FGF21是两条平行、非冗余的通路。
菌群-FXR-FGF21-交感神经元轴
已知儿茶酚胺信号是脂肪棕化的核心。研究发现，缺失β3-肾上腺素能受体（Adrb3）会严重损害LPD诱导的棕色化。全组织免疫染色显示，LPD喂养的SPF小鼠iWAT中，酪氨酸羟化酶阳性的交感神经元网络变得更为致密，且与UCP1阳性细胞区域共定位，而这种神经重塑在GF小鼠、Fgf21-/-和Nr1h4-/-小鼠中显著减弱。有趣的是，给予β3-肾上腺素能受体激动剂，能恢复对照饮食喂养的GF小鼠以及Fgf21-/-和Nr1h4-/-小鼠的棕色化水平。这表明FXR和FGF21信号通过不同途径，共同促进交感神经支配和β3-肾上腺素能信号，从而驱动LPD诱导的棕色化。
小鼠来源的20株菌群诱导棕色化
为鉴定具有棕色化能力的特定菌群，研究者从LPD喂养小鼠的肠道内容物中，通过连续移植和筛选，分离得到一个由20株细菌组成的菌群（mu20-mix）。该菌群定植于GF小鼠后，能在LPD喂养下成功诱导iWAT棕色化，并伴随血浆胆汁酸和FGF21水平升高。而缺失FXR或FGF1的小鼠，即使定植mu20-mix，棕色化也被削弱，证实了这两条通路的必要性。
人体来源的4株菌群促进棕色化
研究进一步从具有活性棕色/米色脂肪（通过18F-FDG PET确认）的健康志愿者粪便中分离菌株。将来自高活性志愿者的粪便菌群移植给GF小鼠，可在LPD喂养下诱导强烈的棕色化。通过一系列菌群组合和剔除实验，最终鉴定出4株人体来源的核心菌株（hu4），包括Adlercreutzia equolifaciens、Eubacteriaceae sp.、Bilophila sp. 4_1_30和Romboutsia timonensis。这4株菌对诱导LPD介导的棕色化至关重要。在高脂饮食诱导肥胖的背景下，补充这4株菌能增强LPD带来的体重减轻、代谢改善和棕色化效应。
微生物产氨诱导肝脏FGF21
深入机制研究发现，hu4菌群中的Bilophila sp. 4_1_30和Adlercreutzia equolifaciens携带具有脂蛋白信号肽的nrfA基因，其表达在LPD喂养下显著上调。NrfA是亚硝酸盐还原酶，可将亚硝酸盐还原为氨。钨酸盐（可抑制NrfA的辅酶钼蝶呤）处理或敲除Bilophila的nrfA基因，会特异性抑制肝脏Fgf21表达和iWAT棕色化，但不影响胆汁酸水平。LPD喂养增加了SPF小鼠和定植野生型Bilophila小鼠门静脉中的氨浓度，而定植ΔnrfA突变菌株则无此效果。在饮用水中补充氯化铵，可挽救定植ΔnrfA菌株小鼠的Fgf21表达和棕色化缺陷。此外，氨处理人肝细胞类器官也能剂量依赖性地诱导FGF21表达。这些结果证明，特定菌群通过nrfA依赖的产氨作用，增加门脉氨水平，进而选择性诱导肝脏FGF21表达，促进棕色化。对小鼠来源的mu20-mix分析也发现，其中含有nrfA阳性且能产氨的菌株，与具有胆汁酸修饰能力的菌株组合，即可重现棕色化表型。
综上所述，本研究揭示了低蛋白饮食背景下，肠道菌群通过两条并行且必需的途径感应并响应蛋白质缺乏：一是通过修饰胆汁酸代谢，激活脂肪前体细胞中的FXR；二是通过nrfA依赖的产氨作用，诱导肝脏FGF21表达。这两条通路协同促进白色脂肪组织的交感神经重塑和β3-肾上腺素能信号激活，最终驱动米色脂肪生成。该研究阐明了饮食、特定肠道微生物代谢与宿主脂肪组织重塑之间的机制联系，为通过靶向肠道菌群干预肥胖及相关代谢疾病提供了新的理论基础和潜在策略。
