上海中医药大学李后开教授团队采用功能代谢组学策略揭示黄芪多糖通过2-羟基丁酸改善肥胖小鼠的脂质代谢丨Engineering
上海中医药大学李后开教授团队采用功能代谢组学策略揭示黄芪多糖通过2-羟基丁酸改善肥胖小鼠的脂质代谢丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，工程类综合性期刊，旨在为全球提供一个高水平的工程科技重大成果发布交流平台，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。中国科技期刊卓越行动计划领军期刊。 中英文出版，全文开放获取。
引言
多糖广泛存在于草本植物中，具有多种活性，特别是具有免疫调节作用和改善代谢紊乱的作用；然而，潜在的机制还没有被很好地诠释。功能代谢组学被越来越多地用于通过鉴定具有特定功能的代谢产物来研究对宿主的系统性影响；因此，上海中医药大学李后开教授团队采用功能代谢组学策略，探讨了黄芪多糖（APS）代谢获益的潜在机制。他们在为期8周的高脂肪饮食（HFD）喂养的肥胖小鼠中测定了APS的作用；然后，进行了基于气相色谱-飞行时间质谱（GCTOFMS）的非靶向代谢组学分析血清和肝组织；最后，进行了基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的靶向代谢组学分析。此外，他们还使用体外和体内代谢紊乱模型测试了代谢产物的潜在功能。研究结果首次证实了APS对肥胖小鼠的代谢益处；其次，代谢组学分析显示，补充APS可逆转HFD诱导的代谢变化，并确定2-羟基丁酸（2-HB）是APS活性的潜在功能性代谢产物，该代谢物被HFD显著降低，并被APS逆转。进一步研究表明，2-HB可抑制油酸（OA）诱导的甘油三酯（TG）累积；研究还发现其可刺激肝细胞中脂质降解蛋白的表达和3T3-L1细胞中的TG脂解。此外，在高脂肪和高蔗糖（HFHS）喂养的小鼠中发现2-HB可降低血清TG并调节参与脂质降解的蛋白质。总之，上海中医药大学李后开教授团队的研究表明，APS的代谢益处至少部分归因于2-HB的产生，2-HB在体外和体内均可调节脂质代谢。此外，他们的结果同样证实，功能代谢组学对于研究植物多糖系统益处的潜在机制是切实可行的。
肥胖是大多数以脂质代谢失调、炎症和胰岛素（INS）抵抗为特征的代谢性疾病的基础。过多的能量摄入或脂肪酸从头合成的活化加速了肥胖及肥胖相关代谢紊乱的发生。 世界上超过19亿的成年人超重。不幸的是，只有很少的方案能够安全有效地减肥。
中医在中国和其他亚洲国家已经有数千年的历史。 草本多糖是一类具有多种保健和防病功能的活性大分子。 部分研究报道，从灵芝和中国被毛孢中提取的多糖在高脂饮食（HFD）饲养的小鼠中有明显的抗肥胖作用。黄芪是黄芪 Astragalus membranaceus (Fisch.) Bge. var. mongholicus (Bge.) Hsiao 干根的药用部分。 黄芪被中医广泛应用于提高免疫力，以及作为膳食补充剂。 黄芪多糖（APS）是从黄芪中提取的，对代谢紊乱的小鼠具有良好的疗效。 上海中医药大学李后开教授团队的最近研究表明，APS在改善HFD喂养小鼠的肥胖和菌群紊乱方面同样具有很好的效果。 然而，APS的潜在机制尚不清楚 。
代谢组学是通过测量血液、尿液、粪便或组织等生物样品中代谢产物的相对或绝对水平，监测病理生理条件下宿主代谢状态的组学方法。越来越多的证据表明，许多内源性代谢物不仅是宿主或肠道微生物群的产物，而且是对宿主能量代谢具有强大调节作用的分子，如衣康酸盐、短链脂肪酸和胆汁酸。因此， 基于非靶向或靶向代谢组学，功能代谢组学正在成为研究或鉴定代谢产物在疾病形成或治疗中的潜在生物学功能的重要策略。
因此， 上海中医药大学李后开教授团队采用了非靶向和靶向代谢组学方法来研究APS在HFD喂养的肥胖小鼠中的代谢益处的潜在机制 。研究结果证实， APS可有效减轻体重增加和肥胖相关疾病 （图1）。此外，研究还确定了 补充APS会增加细菌相关代谢产物2-羟丁酸（2-HB）的水平，其体外和体内均可有效改善脂质代谢 （图2）。
图1. 代谢组学结果显示，在补充APS的小鼠中，代谢特征发生改变，2-HB显著升高。血清和肝样本采用GC-TOFMS法测定；研究样本中的非靶向代谢产物使用结合在XploreMET系统中的严格匹配算法并用哺乳动物代谢产物数据库JiaLib进行注释。接下来，使用LC-MS/MS对筛选后获得的关键代谢产物进行验证。（a）使用三维（3D）-PCA评分图对三组患者的血清代谢概况进行展示（每组 n = 8、10和10）。PC：主成分分析。（b）用热图显示三组血清差异代谢产物之间的表达差异。红色和蓝色条目表示在每个样本中分别表现出较多和较少表达的代谢产物。（c）使用3D-PCA评分图概述三组的肝代谢概况（每组 n = 8、10和10）。（d）用热图显示三组肝脏差异代谢产物之间的表达差异。红色和蓝色条目表示在每个样本中分别表现出较多和较少表达的代谢产物。（e）途径分析概述：代谢分析用于在KEGG网站上分析补充APS的小鼠的差异代谢产物的代谢途径。（f）四种代谢途径中所含的差异代谢产物。（g）潜在功能性代谢产物的选择。在鉴定的代谢产物中，选择了组间发生显著改变的代谢产物（VIP > 1和< 0.05）。为了筛选与APS调节脂质代谢作用相关的差异代谢产物，选择了代谢途径富集和功能分析。通过靶向代谢组学LC-MS/MS测定所选关键代谢产物2-HB在血清（h）和肝脏（i）中的表达。通过独立样本 t -检验测定显著性，与对照组相比， ## p < 0.01，与HFD组相比，* p < 0.05。结果用平均值±SEM表示。
图2. 2-HB在体外调节脂质代谢。设计体外实验的目的在于探讨2-HB干预对脂质代谢的影响。（a）油红O染色的AML12细胞代表性显微照片；用2-HB和OA处理细胞24 h（×400）。（b）与2-HB和OA孵育24 h后AML12细胞的TG水平（每组 n = 4）。（c）AML12细胞在与2-HB和OA孵育24 h后的细胞存活率（每组 n = 6）。（d）~（h）2-HB 24 h处理对AML12细胞脂降解蛋白HSL、ATGL和CE1的蛋白表达的影响（每组 n = 3~4）。（i）、（j）2-HB24 h治疗对3T3-L1细胞上ATGL蛋白表达的影响（每组 n = 3）。（k）用2-HB处理24 h后分化的3T3-L1细胞上的甘油水平（每组 n = 3）。显著性采用样本独立的 t 检验，与对照组比较， # p < 0.05、 ## p < 0.01，与OA比较，* p < 0.05、** p < 0.01。结果用平均值±SEM表示。
此外， 为了确定可能与APS活性相关的代谢产物，上海中医药大学李后开教授团队还使用24种鉴定的代谢产物（18种来自血清，6种来自肝组织）和文献研究进行了代谢途径富集 。然后，他们获得了因补充APS而发生显著改变的四种主要代谢途径，包括精氨酸和脯氨酸代谢、丙酸酯代谢、亚油酸代谢以及抗坏血酸和醛固酮代谢途径。研究人员非常关注含有β-丙氨酸和2-HB的丙酸酯代谢途径，因为除了含有丙酸的短链脂肪酸在代谢性疾病中的既定作用外，该途径还具有低 p 值和较高的途径影响值。选择代谢产物2-HB的原因如下：首先，2-HB的化学结构类似于β-HB和丁酸，它们在影响代谢性疾病的发展方面具有重要作用；其次，尽管在糖尿病、肥胖或代谢综合征患者中观察到2-HB水平升高，表明2-HB可能是代谢综合征或糖尿病的生物标志物，但2-HB在代谢性疾病中的生物学功能尚不明确；再次，细菌除了从3-HB、2-氨基丁酸、α-酮丁酸、2-氧代丁酸等前体以及蛋氨酸、苏氨酸、高丝氨酸等氨基酸中内源性产生2-HB外，还可通过乳酸脱氢酶（LDH）产生2-HB。除此，上海中医药大学李后开教授团队之前的研究观察到，万古霉素改变肠道微生物群会增加2-HB的产生。 鉴于补充APS对肠道微生物群的调节作用，他们认为补充APS的代谢益处可能与2-HB的产生有关。 尽管在当前研究中无法明确2-HB的来源，但在补充APS小鼠中2-HB生成量增加可能源于宿主代谢或APS调节的肠道微生物群。
关键词： 黄芪多糖；功能代谢组学；2-羟基丁酸；肥胖
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2020.05.023
以上内容来自： Bingbing Li, Ying Hong, Yu Gu, Shengjie Ye, Kaili Hu, Jian Yao, Kan Ding, Aihua Zhao, Wei Jia, Houkai Li. Functional Metabolomics Reveals that Astragalus Polysaccharides Improve Lipids Metabolism through Microbial Metabolite 2-Hydroxybutyric Acid in Obese Mice [J]. Engineering, 2022, 9(2): 111-122.
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