生命周期早期高脂饮食暴露调节果蝇成年代谢表型

《iScience》：Early life high-fat diet exposure modulates adult metabolic phenotypes in Drosophila

　　

早期暴露于过量膳食脂质会增加终身代谢功能障碍的易感性，但决定这种易感性的因素仍不清楚。本文中，研究人员整合配对组织转录组学（全头与脂肪体）、代谢组学以及黑腹果蝇（*Drosophila melanogaster*）肠道微生物群分析，以确定发育期短暂高脂饮食（high-fat diet，HFD）暴露如何重塑成年代谢。幼虫期HFD暴露与成年脂肪体中广泛的转录重塑相关，包括三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环和氧化磷酸化基因的协同抑制，伴随活性氧（reactive oxygen species，ROS）积累增加和线粒体生物能功能降低。相比之下，全头转录组对HFD的响应弱于脂肪体。整合的宿主-微生物组分析揭示了肠道微生物群落的持续重塑，细菌多样性和结构发生改变。以NAD⁺前体烟酰胺核糖苷、TCA中间体α-酮戊二酸或共生菌（醋杆菌属*Acetobacter*和乳杆菌属*Lactobacillus*）为靶向的成年期干预恢复了线粒体氧化还原平衡，改善了呼吸能力，并延长了寿命。综上所述，这些发现确定线粒体功能障碍和微生物重塑是发育期膳食脂质应激的持久特征，并提示这种代谢状态可通过线粒体导向和微生物群导向的干预措施得到部分逆转。

**早期高脂饮食暴露对果蝇成年代谢表型的持久重塑：多组学整合与干预研究**

**一、研究背景与科学问题**

生命早期营养状况是决定终身代谢健康的关键因素，可预先编程个体对肥胖、糖尿病和心血管代谢疾病的易感性。高脂饮食（high-fat diet，HFD）作为一种强效代谢应激源，可在多种物种中诱发脂质过载、胰岛素抵抗、慢性炎症和能量稳态失衡。尽管成年期HFD暴露的有害效应已被充分记录，但发育期短暂脂质过载如何通过重编程营养感知、生物能量和氧化还原通路，产生持续至成年期的代谢表型，其潜在机制仍不清楚。阐明这些持续性效应，对于揭示代谢脆弱性的发育起源以及制定恢复代谢弹性的策略至关重要。

啮齿类动物模型虽具有生理学参考价值，但长期膳食暴露难以区分发育期原发性效应与后续肥胖相关改变及持续膳食应激的影响。因此，将脂质暴露限制在特定发育窗口、并在共同膳食环境下评估成年结局的模型，对于识别早期营养应激的持续性遗留效应具有重要价值。黑腹果蝇（*Drosophila melanogaster*）凭借其寿命短、代谢通路保守、遗传操作便利和成熟的膳食操控方案，成为解析膳食编程机制的理想平台。然而，以往研究多聚焦于孤立性状或单一组织，缺乏对发育期脂质暴露系统性、跨组织后果的整体认识。基于微生物群的干预策略正被积极探索用于人类代谢疾病治疗，发育期HFD如何重塑宿主-微生物互作、定向细菌补充能否改善HFD相关宿主代谢表型，此前尚无报道。针对上述空白，研究人员提出了本项研究。

**二、研究内容与总体结论**

研究人员将幼虫期HFD暴露限制在发育阶段，成虫羽化后转移至正常饮食（normal diet，ND）维持，从而在共同膳食环境下评估发育期脂质过载的持久效应。通过整合配对组织转录组学（全头与脂肪体）、脂肪体代谢组学、宿主-微生物组分析及靶向补充干预，系统刻画了短暂幼虫期HFD暴露对成年代谢生理的影响。研究发现，发育期脂质应激产生持久的成年代谢表型，其特征为脂肪体转录和生物能量指标改变、微生物群落重塑、持续性氧化还原和生理改变，以及寿命缩短。烟酰胺核糖苷（nicotinamide riboside，NR）、α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）或细菌补充可在不同程度上部分改善这些异常。该研究发表于《iScience》。

**三、主要关键技术方法**

研究人员使用了以下关键技术：（1）配对组织转录组学：对同一批成虫分别解剖全头与脂肪体，独立构建RNA-seq文库进行测序及差异表达分析（DESeq2）；（2）加权基因共表达网络分析（WGCNA）：构建共表达网络并识别膳食相关模块；（3）非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）代谢组学分析脂肪体代谢物；（4）16S rRNA（V3–V4区）基因扩增子测序结合PICRUSt2功能预测分析肠道微生物群落；（5）靶向补充干预实验：在幼虫期或成年期给予NR、α-KG、醋杆菌属（*Acetobacter*）和乳杆菌属（*Lactobacillus*）补充；（6）多种功能检测：NADH/NAD⁺比值、硝基蓝四氮唑（NBT）还原法检测活性氧（ROS）、线粒体肿胀、TMRE染色、CO₂产生、ATP水平、负向地性行为及寿命分析。样本来源为2021年采集于印度德里国家首都区野外、经八代common-garden驯化的野生型*D. melanogaster*种群。

**四、主要研究结果**

**（一）幼虫期高脂饮食暴露在成虫中产生持久的组织特异性转录重塑**

差异表达分析显示，HFD来源成虫头部有137个差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs），而脂肪体多达1,620个，表明脂肪体转录响应远强于全头。置换检验证实观察到的DEG数量显著高于随机标签重排的预期值，支持结果的稳健性。KEGG富集分析显示，头部DEGs富集于脂肪酸、氨基酸和β-丙氨酸代谢；而脂肪体DEGs显著富集于糖酵解、三羧酸（TCA）循环和丙酮酸代谢的抑制。WGCNA分析鉴定出蓝色模块与膳食状态显著相关（r = ?0.65，p = 0.02），富含线粒体翻译、氧化磷酸化和ATP代谢基因，且脂肪体DEGs在该模块中高度富集（OR = 33.14，FDR校正p < 0.001）。相比之下，turquoise模块与组织身份强相关，富集免疫和脂质相关过程。网络分析鉴定出跨物种保守的枢纽基因（*Acaa*、*Echs1*）介导脂肪酸β-氧化和线粒体活性。

**（二）幼虫期高脂饮食抑制成虫脂肪体线粒体能量产生通路**

脂肪体转录组显示TCA循环关键酶（*mAcon2*、*Fum2*、*Fum4*、*SdhCL*）和氧化磷酸化组分（NADH脱氢酶、细胞色素c氧化酶、ATP合酶亚基）显著下调。代谢组学检测到异柠檬酸降低、还原型谷胱甘肽升高，与TCA中间体可利用性改变和氧化还原缓冲通路参与一致。功能实验证实HFD来源成虫NADH/NAD⁺比值升高、NBT还原增加（ROS积累）、线粒体肿胀加剧、呼吸输出降低、TMRE荧光强度显著降低（线粒体膜电位下降）及ATP水平降低。qRT-PCR验证了线粒体和脂质代谢基因的差异表达方向。上述测定均在成虫羽化后第3天进行，排除了年龄相关线粒体衰退的混杂影响。

**（三）跨物种比较揭示有限的基因水平一致性但存在重复的通路水平重叠**

利用高置信果蝇-人类直系同源基因，将果蝇脂肪体HFD响应转录组与已发表的人类肥胖和脂肪肝转录组数据集进行比较。基因水平的定向一致性总体有限，多数比较接近50%的零假设期望，经多重检验校正后未保持显著。通路水平的GO-Slim比较则提示氨基酸代谢、维生素代谢、线粒体基因表达和糖蛋白生物合成等营养和细胞器相关生物学过程的反复呈现，表明存在跨物种的通路水平趋同。

**（四）烟酰胺核糖苷和α-酮戊二酸部分改善氧化还原平衡、线粒体功能和寿命**

NR补充部分改善了HFD来源成虫的线粒体相关指标：NADH/NAD⁺比值部分正常化约8–18%、线粒体膜电位改善约7–15%、ROS积累减少约10–11%、呼吸输出增加约8–12%、ATP水平提高约6–13%，延长成年期补充效果更为明显。α-KG补充产生互补性改善。qRT-PCR显示NR部分正常化*spargel*表达，而α-KG更强地诱导*Sdh*表达。两种辅因子均改善了运动能力和寿命（延长约8–13%）。

**（五）幼虫期高脂饮食暴露与成虫持久肠道微生物重塑和预测代谢潜能改变相关**

16S rRNA测序鉴定出269个高质量扩增子序列变体（amplicon sequence variants，ASVs）。HFD来源成虫α多样性显著降低（Shannon指数从4.83 ± 0.38降至3.91 ± 0.21），β多样性呈明显分离。变形菌门（Proteobacteria）丰度下降，厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和放线菌门（Actinobacteria）比例升高。关键共生菌乳杆菌属和醋杆菌属丰度改变。PICRUSt2预测HFD下氨基酸生物合成和辅因子相关通路富集。

**（六）微生物补充与HFD相关线粒体和生理表型的部分改善相关**

醋杆菌属补充部分恢复了NADH/NAD⁺比值（约14%）、提高CO₂输出（约11–13%）、改善攀爬能力（12–15%）并延长寿命（约12–15%）。联合补充效果与单独醋杆菌属相当，而乳杆菌属单独无显著效果。

**五、讨论与结论**

研究人员认为，由于HFD暴露仅限于幼虫发育期且成虫维持于正常饮食，观察到的成年效应应被解释为早期脂质暴露的持久遗留后果，而非持续HFD喂养的直接效应。发育期脂质过载在成虫脂肪体中建立了以TCA/OXPHOS基因抑制、氧化还原失衡和微生物重塑为特征的持久代谢状态，该状态具有多层次的转录组织特征而非单一通路破坏。NR和α-KG通过不同但重叠的代谢途径（可能涉及NAD⁺-SIRT轴和TCA代谢物信号）部分恢复线粒体功能。醋杆菌属补充可能通过氧化细菌代谢（如PQQ-ADH依赖性乙酸产生）影响宿主代谢稳态。研究结论指出：发育期HFD暴露通过持续的氧化还原、线粒体和微生物改变缩短成虫寿命，靶向代谢和微生物干预可部分缓解这些效应；果蝇模型应被解读为研究发育期膳食相关代谢重塑的可行框架，而非哺乳动物代谢疾病的直接替代物。局限性包括：线粒体因果关联有待呼吸通量分析验证；微生物代谢物和宿主通路尚未直接解析；未来需纳入ND来源补充对照组以评估干预的特异性；染色质水平的持久调控机制有待探索。