《iMeta》：Gut Enterococcus faecium derived leucic acid mediates the antiobesity effect of dietary fiber
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肥胖是一种全球普遍存在的代谢性疾病，与肠道菌群失调密切相关。然而，肠道菌群及其微生物代谢在该疾病中的确切作用仍不清楚。通过粪便宏基因组数据挖掘和临床队列验证，研究人员鉴定出一株具有抗肥胖潜力的肠道细菌——粪肠球菌（*Enterococcus faecium*,
肥胖是一种全球普遍存在的代谢性疾病，与肠道菌群失调密切相关。然而，肠道菌群及其微生物代谢在该疾病中的确切作用仍不清楚。通过粪便宏基因组数据挖掘和临床队列验证，研究人员鉴定出一株具有抗肥胖潜力的肠道细菌——粪肠球菌（*Enterococcus faecium*, *E. faecium*）。该菌通过代谢亮氨酸产生亮氨酸（leucic acid, LEA），从而抑制肥胖小鼠的脂肪细胞增大、血脂异常和肝脏脂肪变性。定植*E. faecium*或外源性补充LEA均可改善肥胖相关的代谢表型。机制上，*E. faecium*通过推定的支链氨基酸代谢酶将亮氨酸代谢为LEA。该细菌来源的LEA调控线粒体氧化磷酸化，从而缓解肥胖。此外，利用高内涵筛选系统和体外发酵模型，研究人员发现膳食纤维魔芋葡甘聚糖（glucomannan, GM）通过促进*E. faecium*的生长发挥抗肥胖作用。本研究揭示了微生物代谢及LEA产生在改善肥胖发生和发展中的关键作用，为靶向肠道菌群的膳食纤维干预策略提供了理论基础。
**一、研究背景与问题**
肥胖是全球范围内普遍流行的代谢性疾病，世界卫生组织将其定义为威胁健康的异常或过度脂肪堆积。全球肥胖患病率持续攀升，约21.1亿成人和1.74亿青少年超重或肥胖，预计到2030年美国近半数成年人将发展为肥胖。肥胖与冠心病、糖尿病等多种代谢性疾病高度相关，造成巨大的公共卫生和经济负担，亟需安全有效的干预策略。肠道菌群由数万亿共生微生物组成，在肥胖及相关代谢紊乱的发生发展中发挥核心调控作用。微生物代谢产物是菌群与宿主肥胖之间的桥梁，可能成为表征或控制肥胖的更佳靶点。支链氨基酸（branched-chain amino acids, BCAAs），包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，水平升高是肥胖和2型糖尿病的典型代谢特征。肠道微生物可直接利用和代谢宿主来源的BCAAs以维持全身代谢稳态，如*Parabacteroides johnsonii*代谢缬氨酸产生异丁酸以维持肠道屏障完整性，*Ruminococcus gnavus*利用亮氨酸合成异戊酸发挥心血管保护作用。然而，亮氨酸衍生的亮氨酸（leucic acid, LEA）是否通过肠道菌群-宿主相互作用影响肥胖的病理生理过程，目前研究仍然有限。膳食纤维是优良的肠道菌群调节剂，可通过选择性富集有益肠道细菌并重塑菌群组成，是肥胖的有效干预策略。
**二、研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员通过粪便宏基因组数据挖掘和临床队列验证，鉴定出一株具有抗肥胖潜力的肠道细菌——粪肠球菌（*Enterococcus faecium*, *E. faecium*）。该菌丰度在肥胖患者中显著降低，且具备被膳食纤维富集的潜力。动物实验表明，补充*E. faecium*通过代谢亮氨酸产生LEA，改善肥胖小鼠的糖脂代谢紊乱。LEA作为*E. faecium*的关键代谢物，通过调控线粒体氧化磷酸化，抑制脂肪细胞增大、血脂异常和肝脏脂肪变性。进一步利用高内涵筛选系统和体外发酵模型，证实膳食纤维魔芋葡甘聚糖（glucomannan, GM）通过促进*E. faecium*生长发挥抗肥胖作用。本研究阐明了“膳食纤维-*E. faecium*-LEA-线粒体氧化磷酸化”调控轴，为基于肠道菌群的代谢疾病干预提供了策略。
**三、主要关键技术方法**
研究人员利用公共宏基因组数据集（2017 Liu队列PRJEB12123和2024 Wang队列QIITA ID 11666）进行数据挖掘，结合自建临床验证队列（16名健康受试者和34名肥胖患者）的宏基因组测序，筛选候选菌株。采用全基因组测序对分离的人源和鼠源*E. faecium*菌株进行鉴定和安全性评估。通过高脂饮食（high-fat diet, HFD）诱导的肥胖小鼠模型进行体内功能验证。运用非靶向代谢组学、蛋白质组学、GSEA分析等技术鉴定关键代谢物并解析分子机制。采用高内涵筛选系统和体外粪便发酵模型（10名健康供体）筛选富集*E. faecium*的最优膳食纤维。此外，还应用16S rDNA测序、qPCR、组织学染色（H&E、Oil Red O）、生物化学检测、Raman光谱成像、流式细胞术、线粒体功能检测等技术手段。
**四、研究结果**
**1. *E. faecium*是膳食纤维预防肥胖的候选菌株**
通过对2017 Liu队列和2024 Wang队列的宏基因组数据挖掘，筛选出健康对照中富集而肥胖受试者中耗竭的物种，以及与膳食纤维摄入正相关的物种。Venn图分析显示*E. faecium*为两个队列的交集物种。自建临床队列验证了肥胖患者肠道中*E. faecium*相对丰度显著降低。研究人员从健康人和小鼠粪便中分别分离出人源*E. faecium*（H）和鼠源*E. faecium*（M），并通过富集培养、分离纯化和全基因组测序进行菌株鉴定。
**2. *E. faecium*缓解HFD诱导的肥胖病理表型**
在HFD诱导的肥胖小鼠模型中，补充人源和鼠源活*E. faecium*显著减少体重增加、降低附睾和肠系膜脂肪指数、增加棕色脂肪，改善血脂异常（降低低密度脂蛋白胆固醇LDL-C和甘油三酯TG），减轻肝脏脂肪变性，并改善葡萄糖耐量。机制上，*E. faecium*通过激活AMPK-ACC-SREBP1信号轴抑制肝脏*de novo*脂质合成。蛋白质组学分析显示，*E. faecium*干预逆转了HFD引起的肝脏蛋白表达异常，恢复线粒体电子传递链核心亚基（如Ndufa10和Sdha）表达，改善线粒体功能障碍，并恢复脂肪酸β-氧化和BCAAs分解代谢关键酶表达。功能验证确认*E. faecium*显著恢复线粒体呼吸链复合物I活性和肝脏ATP含量。值得注意的是，两种活菌均有效，而热灭活菌无效，表明其抗肥胖作用依赖于细菌代谢活性而非菌体本身。
**3. LEA被鉴定为*E. faecium*产生的功能性候选代谢物**
将*E. faecium*培养上清液分为高分子量（>3 kDa）和低分子量（<3 kDa）组分，应用于棕榈酸（palmitic acid, PA）诱导的AML12肝细胞模型。低分子量组分在改善脂滴积累和下调脂质代谢相关基因（*Srebp1*和*Scd1*）表达方面效果更优。非靶向代谢组学分析确定LEA为显著上调的关键代谢物。KEGG通路注释表明LEA是亮氨酸的代谢衍生物，由*E. faecium*通过BCAAs转氨酶（IlvE, EC 2.6.1.42）、2-氧异戊酸脱氢酶亚基（BCKDHA, EC 1.2.4.4）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（DLD, EC 1.8.1.4）催化合成。蛋白质组学验证了这三种关键酶在营养培养基中丰度显著上调。临床队列宏基因组分析显示肥胖患者肠道菌群中BCAAs降解相关转氨酶基因丰度显著降低。
**4. LEA改善肥胖小鼠代谢表型并调控线粒体氧化磷酸化通路**
在HFD诱导的肥胖小鼠中，LEA干预有效抑制体重增加、减少白色脂肪组织积累、改善葡萄糖耐受性和空腹血糖水平，降低血浆丙氨酸转氨酶（ALT）、天冬氨酸转氨酶（AST）、总胆固醇和LDL-C水平，减轻肝脏脂肪变性和附睾脂肪组织病理损伤。蛋白质组学分析显示LEA有效重塑HFD诱导的异常蛋白表达谱，主要调控氧化磷酸化和脂肪酸降解等关键通路。基因集富集分析（GSEA）证实LEA干预显著富集线粒体氧化磷酸化通路。功能实验确认LEA增加线粒体复合物I活性、促进ATP产生，并通过促进AMPK和ACC磷酸化、下调SREBP1表达抑制脂质合成。
**5. LEA通过改善线粒体氧化磷酸化缓解PA诱导的AML12细胞脂代谢紊乱**
在AML12细胞中，LEA在0-100 μmol/L浓度范围内无细胞毒性。LEA处理有效缓解PA诱导的细胞内TG含量升高和大量脂滴积累，调节脂质生成关键基因（*Scd1*、*Srebp1*、*Acaca*）表达。Raman光谱和成像检测证实LEA能够进入细胞发挥药效。LEA浓度依赖性地恢复ATP含量和线粒体呼吸链复合物I活性，修复PA导致的线粒体膜电位降低、线粒体碎片化和网络结构损伤。
**6. 高内涵筛选富集*E. faecium*的最优膳食纤维**
研究人员选取果胶、菊粉、魔芋葡甘聚糖（GM）、低聚果糖（FOS）、瓜尔胶（GG）、低聚半乳糖（GOS）和岩藻多糖（FUC）等膳食纤维，分别与*E. faecium*（Ef-M和Ef-H）体外共发酵，将发酵上清液应用于脂质积累的AML12细胞，利用高内涵筛选系统评估。GM发酵液、果胶发酵液、GG发酵液和菊粉发酵液显著减少每细胞总脂滴面积。通过10份人粪便样本的体外发酵实验评估这四种膳食纤维对*E. faecium*的富集能力，GM在多数供体中表现出优越的富集效果。
**7. 膳食纤维GM富集*E. faecium*并改善HFD诱导的肥胖**
GM干预有效减轻HFD小鼠体重增加、改善葡萄糖耐量、降低白色脂肪组织重量、改善血脂异常、抑制肝脏和肠系膜脂肪脂质积累，并下调脂质生成基因（*Cebp1*、*Fasn*、*Srebp1*）表达而上调*Pparα*表达。16S rDNA测序显示GM增加肠道菌群α多样性并重塑菌群结构，同时增加*E. faecium*丰度。抗生素混合物（ABx）清除肠道菌群后，GM的抗肥胖效果消失，证实GM的抗肥胖作用依赖于肠道菌群，特别是*E. faecium*的富集。
**五、讨论与结论**
本研究通过双队列筛选和独立验证发现*E. faecium*在肥胖受试者中丰度显著降低，该菌通过推定的BCAAs代谢酶将亮氨酸转化为LEA，进而通过调控线粒体氧化磷酸化缓解肥胖。全基因组测序安全性评估显示分离菌株的抗性基因位于染色体而非质粒，水平基因转移风险低，且与临床流行的万古霉素耐药*E. faecium*存在显著遗传差异。考虑到活菌干预的潜在风险和灭活菌丧失抗肥胖效果，研究人员采用基于益生元的间接富集策略，通过膳食纤维补充特异性促进内源性*E. faecium*增殖，既保证抗肥胖效果又避免外源耐药菌株的潜在危害。热灭活*E. faecium*无法改善肥胖小鼠血脂异常和脂肪积累，表明该菌的抗肥胖活性不依赖其结构成分而依赖代谢产物。LEA作为关键生物活性物质，其生成依赖*E. faecium*内一系列酶促反应代谢亮氨酸；热处理使胞内酶失活并阻断LEA生物合成，这是热灭活菌活性丧失的根本原因。本研究也存在一定局限性：作为回顾性队列研究，未能系统收集参与者膳食摄入和降糖降脂药物使用数据；仅关注LEA单一代谢物，未探索*E. faecium*产生的其他活性代谢物是否协同发挥抗肥胖作用；未能检测*E. faecium*定植后粪便、血浆或肝脏中的LEA水平；仅验证了特定来源的两株*E. faecium*，不同来源和遗传背景菌株的LEA产生能力和抗肥胖效果的一致性尚不清楚；*E. faecium*通过BCAAs代谢酶合成LEA的假说缺乏基因敲除等遗传操作实验的直接证据。
研究结论：通过粪便宏基因组数据挖掘结合临床队列验证，本研究鉴定出一株具有抗肥胖潜力的肠道细菌*E. faecium*。动物实验证明*E. faecium*定植可缓解HFD诱导的肥胖。机制上，*E. faecium*利用推定的BCAAs代谢酶将亮氨酸转化为LEA，外源补充LEA同样能够调控线粒体氧化磷酸化并改善能量代谢。此外，利用高内涵筛选结合体外发酵模型，发现膳食纤维GM能有效富集*E. faecium*从而发挥抗肥胖作用。综上，本研究揭示了*E. faecium*-LEA轴在调控宿主能量代谢中的关键作用，为靶向肠道菌群的精准膳食纤维干预策略提供了理论基础。该论文发表在《iMeta》。
