重磅研究 | Nature（IF：49.962）：停止香烟烟雾暴露后肠道微生物群调节小鼠体重增加
重磅研究 | Nature（IF：49.962）：停止香烟烟雾暴露后肠道微生物群调节小鼠体重增加
Microeco2016
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论文ID
原 名： Gut microbiota modulates weight gain in mice after discontinued smoke exposure
译 名 ： 停止香烟烟雾暴露后肠道微生物群调节小鼠体重增加
期刊 ： Nature
IF： 49.962
发表时间： 2021年12月8日
通讯作 者： 1、Hagit Shapiro；2、Eran Elinav
通讯作者单位： 以色列魏茨曼科学研究所
DOI号： 10.1038/s41586-021-04194-8
实验设计
结果
吸烟和戒烟可能与肠道微生物群改变有关，但没有研究将这些生物变化与SCWG因果联系起来。为了探索这种可能性，我们使用了一种小鼠模型，将喂食高脂饮食（HFD）或正常饮食（NC）的小鼠置于吸烟室内，使其暴露于香烟烟雾中。准确的统计值，包括P值和线性混合模型（LMM）参数见表S1。数据以体重变化百分比的形式提供，这反映了相对于每只小鼠基准重量的体重增加率。补充信息1和2中还分别描述了绝对重量和单个实验重复。使用这种烟雾暴露模型，暴露于烟雾的HFD喂养小鼠的血浆尼古丁水平为5.51±1.32 ng ml -1 （平均值±s.e.m.），这与报告的人类活跃吸烟者的水平相当。急性暴露于香烟烟雾导致体重显著下降，这与其他代谢特征有关（图S1）。 相比之下，不再暴露于烟雾的小鼠的SCWG与未暴露于烟雾的小鼠的体重水平相当。这些结果与人类SCWG设置中描述的结果相似 （图S1B；LMM P =5.96 × 10 -13 )。
为了确定微生物群是否影响SCWG，我们通过饮水给予喂食HFD的10周龄C57BL/6雄性小鼠随意获取4种抗生素组合（方法，图1a）。与未暴露于烟雾中的抗生素处理和未处理小鼠相比，暴露于烟雾中的抗生素处理和未处理小鼠的体重增加均较低（图1b，合并结果，4个独立重复）。值得注意的是， 与先前暴露于烟雾中的非抗生素处理小鼠相比，先前暴露于烟雾中的抗生素处理小鼠的SCWG显著降低，体重增加率显著降低 （图1b，c；LMM P =2.05×10 -9 ）。这种效应后续持续了119 天（图1d；LMM P =5.5×10 -19 ）。随后我们通过核磁共振成像进行的全身成分分析支持这些结果（图S2a）。将抗生素的施用限制在烟雾暴露的停止期并没有改变SCWG（图S2b），这表明在急性烟雾暴露期间观察到的抗生素诱导效应对SCWG的后续影响至关重要。我们从不同供应商获得的HFD喂养的野生型小鼠（Jackson实验室，方法，图1e；LMM P =8.21×10 -15 ）或喂食NC饮食的小鼠（图1f；LMM P =0.008124，来自3个独立重复的合并结果）证实了 抗生素介导的SCWG消除的效果 。暴露于低尼古丁香烟烟雾中的NC或HFD喂养的小鼠（分别为方法、图1g和图S2c）或暴露于高尼古丁香烟烟雾和0.5 mg kg -1 day -1 瓦伦尼克林（一种竞争性尼古丁受体拮抗剂；图S2d）的HFD喂养的小鼠产生了与暴露于高尼古丁香烟烟雾的小鼠相似的SCWG表型。这些小鼠的SCWG在抗生素处理后消失（图1g；LMM P =1.74×10 -14 ）。
暴露或未暴露于烟雾中的抗生素处理和未处理的HFD喂养小鼠的运动、总热量摄入和呼吸交换率是类似的（图S3a-c）。相比之下，尽管小鼠体重增加（图1b），但在烟雾暴露停止期间，小鼠的能量消耗（kcal h -1 kg -1 ）高于对照组小鼠（未暴露于烟雾）或不再暴露于烟雾的抗生素处理小鼠（图S3d）。与 对照组小鼠相比，暴露于烟雾或先前暴露于烟雾的HFD喂养小鼠的能量收获（代表宿主从给定饮食中提取的能量水平）更高（反映为粪便残余热量较低）。相反，用抗生素处理先前暴露于烟雾中的小鼠阻止了这种高能量收获 （图1h）。在先前暴露于烟雾的小鼠中，粪便热量计数与体重增加率之间存在显著的成对相关性，但在先前暴露于烟雾的抗生素处理小鼠中，则不存在显著的成对相关性（图S3e）。这一结果表明，增强的能量收获取决于微生物群，并与SCWG相关。总的来说， 这些结果意味着存在一种微生物群依赖、尼古丁戒断无关的SCWG表型，该表型可能是由宿主能量收集增强所驱动的。
图1. 微生物群耗竭调节SCWG。 a，实验方案。在指定的时间点，小鼠未暴露于香烟烟雾（non-SMK）、暴露于烟雾（SMK）以及使用或未使用抗生素（abx）处理。SMK组暴露于香烟烟雾中3周。b，接受不同处理的HFD喂养小鼠的体重变化：non-SMK（ n =37）、SMK（ n =38），non-SMK+abx（ n =40）和SMK+abx（ n =39）。结果汇集了4个独立的重复。最后一天，进行单因素方差分析（ANOVA）和Sidak校正；插图显示曲线下的增量区域（iAUC）在烟雾暴露（暴露）或停止烟雾暴露（停止）时期，单因素方差分析和Sidak校正时的体重增量变化。这也适用于d-g。c，体重增加率、根据暴露于烟雾（暴露）或停止暴露于烟雾（停止）时间计算得出的Δ体重变化/Δ天数的导数。 n =37只（non-SMK）、38只（SMK）、40只（non-SMK+abx）或39只（SMK+abx）小鼠；双因素方差分析（ANOVA）和Benjamini–Hochberg（BH）校正。结果汇集了4个独立的重复。d，长期暴露于烟雾和停止的HFD喂养小鼠的长期体重变化。 n =10（non-SMK、SMK和SMK+abx）或9（non-SMK+abx）只小鼠。e，来自不同供应商（杰克逊实验室）的HFD喂养小鼠在烟雾暴露和戒烟期间的体重变化。 n =10（non-SMK和SMK）、8（non-SMK+abx）或6（SMK+abx）只小鼠。f，吸烟和戒烟期间NC喂养小鼠的体重变化。 n =30只小鼠/组，结果汇集了3个独立重复。g，暴露于低尼古丁香烟的NC喂养小鼠在吸烟暴露和戒烟期间的体重变化。n=10只小鼠/组。h，暴露于吸烟和戒烟的HFD喂养小鼠每克粪便的热量含量。使用以下数量的小鼠：non-SMK，烟雾暴露 n =8，停止 n =10；SMK，烟雾暴露 n = 8，停止 n =9；non-SMK+abx，烟雾暴露 n =10，停止 n =10；SMK+abx，烟雾暴露 n =10，停止 n =9。三因素方差分析和BH校正。对于所有图片，灰色背景表示烟雾暴露停止期，所有数据显示为平均值 ± s.e.m。 * P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001，**** P < 0.0001，精确 P 值见表S1。
对暴露于香烟烟雾的HFD喂养小鼠粪便样本的16S rDNA测序显示，小鼠在急性烟雾暴露后3周内出现了一种非生物表型（图S4a、b，表S2）。通过重建未观察到的状态（PICRUSt2）对群落进行系统发育调查，潜在的功能推断显示，在吸烟前暴露和吸烟暴露期之间，多个基因发生了显著变化（吸烟前暴露 = 443，烟雾暴露 = 577，26个共享；表S2），包括以下4个扩展的京都基因和基因组百科全书（KEGG）模块：细胞色素 bc 1 复合呼吸单元（M00151）；脂肪酸生物合成，延伸（M00083）；β-氧化-酰基，CoA合成（M00086）；甜菜碱生物合成，胆碱转化为甜菜碱（M00555）（图S4c）。 对暴露于烟雾中的HFD喂养小鼠粪便样本的鸟枪宏基因组测序表明，烟雾暴露不会影响细菌α多样性 （图S4d）。然而，它确实从一个不明显的基准配置（图S4e，表S3）诱导出不同的成分特征（图2a）。在停止吸烟后2周，这些微生物群的改变并没有完全恢复到吸烟前的配置（图S4f，表S3）。值得注意的是， 无论暴露在烟雾中，抗生素处理的结果都改变了细菌多样性 （图S4g）。烟雾暴露期间的失调以不同的分类（图S4h，表S3）和功能性（图2b，表S3）宏基因组特征为特征，这通过鸟枪宏基因组测序确定。
为了评估香烟烟雾相关的生物活性化合物是否能够到达肠道并影响微生物群，我们将尼古丁作为一种典型的代谢物，在吸烟过程中系统释放，同时不受微生物群存在的影响（图S5a）。暴露于烟雾中的抗生素处理和未处理HFD喂养的小鼠的粪便（图2c）和血浆（图S5b）尼古丁及其主要分解产物可替宁水平均高于暴露于烟雾中的HFD喂养的对照（无烟雾暴露）小鼠。与对照小鼠和暴露于烟雾的小鼠相比，在HFD喂养的小鼠中每天2次腹腔内补充尼古丁（1.5% mg kg -1 day -1 ；图S5c）每天2次持续3周，诱导了明显的非生物状态（图2d，图S5d，表S2）。然而，仅在急性暴露于烟雾的小鼠中观察到体重减轻（扩展数据图S5e）。口服尼古丁（0.15 mg ml -1 饮用水）3周或连续皮下注射尼古丁（1.5 mg kg -1 day -1 ，通过渗透泵）4周证实了这些发现（图S5f-j）。总的来说，这些结果表明， 香烟烟雾相关的代谢物，如尼古丁，可以在我们测试的条件下调节肠道微生物群。 其他可能影响微生物群的尼古丁剂量和香烟烟雾释放的代谢物值得进一步研究。
图2. 香烟烟雾引起的生态失调驱动SCWG。 a，第21天的物种水平相对丰度的主成分分析（PCA）（鸟枪宏基因组学）。n=10只HFD喂养小鼠/组；插图显示成对排列方差分析（PERMANOVA）。b，在第21天暴露于/未暴露于烟雾的HFD喂养小鼠的宏基因组功能特征（EC注释）显著不同（ Q <0.05，DESeq2）的热图。特征根据BRITE层次结构分组（ n =10只小鼠/组）。AA，氨基酸；GPI-APs，糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白。彩色条表示 z 分数。c，HFD喂养的小鼠在烟雾暴露期间的粪便尼古丁和可替宁水平。n=7只（non-SMK）、10只（SMK）或9只（non-SMK+abx和SMK+abx）；Kruskal-Wallis和Dunn检验（平均值 ± s.e.m.）。d，16S rDNA主坐标分析显示，与尼古丁处理的小鼠相比，吸烟小鼠的Bray-Curtis有差异。所有小鼠均喂食HFD， n =9只（未经处理）、10只（SMK）或8只尼古丁处理（腹腔内）小鼠。插图显示成对PERMANOVA结果。e-g，长期暴露于烟雾（e，第18天）或停止（f，g，第24天），HFD喂养的小鼠FMT后HFD喂养的GF受体的体重变化。第28天Non-SMK与SMK非配对双侧t检验（平均值 ± s.e.m.）。左上角插图显示物种组成的PCA（每个实验中每组 n =6排序），PERMANOVA。使用lmer测试的LMM的P值显示在每个面板中。e，受体为SW小鼠， n =6只/组（non-SMK和SMK）。f，受体为SW小鼠， n =10（non-SMK）或12（SMK）。g，受体为C57BL/6小鼠， n =6（non-SMK）或7（SMK）。* P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001，**** P < 0.0001，精确 P 值见表S1。
为了研究SCWG中肠道微生物群的因果作用，我们进行了粪便微生物群移植（FMT），将暴露于烟雾中的小鼠（图S6a）和先前暴露于烟雾中的小鼠（图S6e）的粪便样本转移到未暴露于烟雾中的无菌（GF）小鼠的不同品系中。微生物组从暴露于香烟烟雾中7天的HFD喂养的C57BL/6小鼠转移到HFD喂养的GF Swiss Webster（SW）小鼠或HFD喂养的GF C57BL/6小鼠（均未暴露于烟雾）诱导受体小鼠的生态失调，没有导致体重的显著增加（图S6b，c，表S3）。从暴露于烟雾中7天的NC喂养的C57BL/6小鼠转移到未暴露于烟中的NC喂养的GF C57BL/6小鼠的微生物组产生了类似的结果（图S6d，表S3）。相比之下， 从暴露于烟雾中18天的HFD喂养的C57BL/6小鼠转移到未暴露于烟雾的HFD喂养的GF SW小鼠中的微生物组诱导了受体小鼠的组成失调和体重过度增加 （图2e； P =0.0428）。在烟雾暴露停止期间（第24天），从C57BL/6小鼠转移到未暴露于烟的HFD喂养GF SW受体小鼠的微生物群中也观察到类似的结果（图2f；LMM P =0.0356），HFD喂养的GF C57BL/6受体未暴露于烟雾中（图2g；LMM P =0.00482）或未暴露于烟雾的NC喂养的GF C57BL/6受体（图S6f）。受体粪便样本的分类（图S6g）和功能（图S7a）分析显示了改变的微生物组的共同特征（表S3）。
接下来，我们在整个烟雾暴露期和烟雾暴露停止期用广谱抗生素（方法）预处理HFD或NC喂养的供体小鼠，然后对未暴露于烟雾的GF小鼠进行FMT。 与接受戒烟微生物群的小鼠相比，这些受体小鼠的体重增加有所减少 （图S7b，c）。HFD喂养的受体GF小鼠定植了来自接受7天烟雾暴露的小鼠的微生物组，其粪便热量含量与对照小鼠的微生物群的受体相当（未暴露于烟雾，图S7d）。相比之下，与对照小鼠的微生物群相比，在戒烟期间获得微生物群的GF小鼠受体的粪便热量含量降低（图S7e）。这一结果表明， 与未暴露于烟雾中的对照小鼠的微生物群相比，在戒烟期间收集的微生物群的接受者的能量收获增加 。总的来说，这些数据意味着香烟烟雾诱导的失调微生物群逐渐获得了诱导体重增加和增强能量收获的能力，这在戒烟期间变得非常明显。
我们使用非靶向质谱法（方法）对急性烟雾暴露（第15天为血浆，第21天为粪便）和停止烟雾暴露（第30天为血浆，第35天为粪便）期间HFD喂养小鼠的血浆（图S8a）和粪便（图S8b）代谢物进行分析。一项LMM（图S8c，方法）分析确定了以下7种与微生物诱导的SCWG相关的候选代谢物： N -甲酰苯胺酸、葫芦巴碱（ N′ -甲基烟酸）、二甲基甘氨酸（DMG）、 N -乙酰甘氨酸（乙酰基甘氨酸（ACG））、十六碳二烯酸（16:2n6）、1-棕榈酰-2-γ-亚油酸基-GPC（16:0/18:3n6）和乙酰甘氨酸（表S5）。DMG是一种氨基酸甘氨酸的衍生物，可由膳食硫酸胆碱通过一系列酶促步骤转化为胆碱、甜菜碱醛、甜菜碱和DMG。这些酶主要存在于肠道微生物群（胆碱硫酸酯酶）以及微生物群或宿主【胆碱脱氢酶、甜菜碱醛脱氢酶和甜菜碱同型半胱氨酸 S -甲基转移酶（BHMT）】。我们使用PICRUSt2推断微生物群中的功能丰度，结果表明， 急性烟雾暴露期间，硫酸胆碱甜菜碱生物合成途径（M00555；图S4c）及其关键酶胆碱- O -硫酸酯酶 （图S8d） 上调 。此外，与未暴露于烟雾的HFD喂养小鼠相比，暴露于烟雾的HFD喂养小鼠的非目标代谢组学显示粪便胆碱适度增加（图S8e）以及甜菜碱显著增加（图S8f）。介导甜菜碱转化为DMG的BHMT的表达在粪便中未检测到，但与未暴露于烟雾的小鼠相比，暴露于烟雾的小鼠肝脏中的BHMT表达显著增加（图S8g）。这一结果表明， 增加香烟烟雾诱导的甜菜碱-DMG转化驱动高全身DMG水平可能是由宿主贡献的 （图3a）。靶向质谱表明， 抗生素处理后，接触烟雾的HFD喂养小鼠的血浆DMG水平降低 （图S8h）。此外，与未暴露于烟雾的对照小鼠的FMT受体相比，从停止暴露于烟雾的供体接受FMT的HFD喂养的GF小鼠中观察到更高的血浆DMG水平（图3b）。总之，这些结果进一步证实了微生物群在这种香烟烟雾调节生物合成途径中的作用。为了验证这些发现，HFD喂养的小鼠暴露在烟雾中21天后用标记的硫酸胆碱（D 13 -硫酸胆碱，方法）口服灌胃，其主要由微生物群转化为胆碱。对其标记产物的代谢物评估表明，与对照小鼠相比，暴露于烟雾中的小鼠粪便中标记胆碱（D 13 -胆碱，图3c）和标记甜菜碱（D 11 -甜菜碱，图3d）的水平增加，抗生素处理消除了这些差异。值得注意的是，暴露于烟雾中的小鼠血浆中标记甜菜碱水平也增加（D 11 -甜菜碱，图3e），这表明 可能有微生物来源的甜菜碱从肠道系统性流入。 这反过来又导致暴露于烟雾的小鼠中标记的、微生物群衍生的DMG的血浆水平升高（D 8 -DMG，图3f）。抗生素处理消除了与香烟烟雾相关的血浆标记DMG的增加，这表明与吸烟相关的全身DMG的增加依赖于上游微生物产生的前体。
图3. 烟雾暴露和停止期间的DMG动态。 a，非靶向质谱法测定血浆DMG水平。结果显示为按比例计算的数据集（SmD）。 n =7（non-SMK）或6（SMK）；HFD喂养的小鼠。双侧非配对t检验。b，停止时接受HFD喂养小鼠粪便移植的GF-HFD喂养小鼠的血浆DMG水平，non-SMK（ n =9）或SMK（ n =11）。双侧非配对t检验。c-f，用D 1 3-硫酸胆碱灌胃HFD喂养小鼠的靶向质谱分析。给药后4 h收集粪便和血浆样品，评估粪便D 13 -胆碱（c）、粪便D 11 -甜菜碱（d）、血浆D 11 -甜菜碱（e）和血浆D 8 -DMG（f）。粪便样本， n =9只/组。血浆样本， n =8只（non-SMK）、10只（SMK和non-SMK+abx）或9只（SMK+abx）。Kruskal-Wallis和Dunn检验（c-e）以及单因素方差分析和Sidak检验（f）。所有数据均显示平均值 ±s.e.m。* P < 0.05，** P < 0.01，*** P < 0.001，**** P < 0.0001，精确 P 值见表S1。
随后，我们确定了7种候选代谢物中的4种（表S5）对SCWG的因果影响。连续补充N-甲酰基邻氨基苯甲酸和葫芦巴碱对暴露于烟雾的抗生素处理的HFD喂养小鼠不影响SCWG（图S9a，b）。相反，尽管微生物群耗竭，但对暴露于烟雾中的抗生素处理HFD喂养的小鼠持续补充DMG可恢复SCWG（图4a，LMM P =0.00447；图S9c，实验重复3次）。此外，喂食缺乏胆碱饮食的小鼠，从而缺乏DMG的主要饮食前体，尽管烟雾暴露导致肝脏中BHMT表达增加（图S9e），其DMG没有表现出烟雾依赖性增加（图S9d）。这反过来又导致在停止烟雾暴露期间缺乏SCWG（图4b；LMM P =0.001616，重复2次实验的汇总结果）。值得注意的是，HFD喂养的小鼠未暴露于烟雾中，并持续给与DMG（100 mg kg -1 day -1 ；图9f，方法） 14-49天（图S9g为14天补充期，LMM P =0.0018；图4c为21天补充期，LMM P =0.0017，重复3次实验的汇总结果；49天补充期的图S9h，LMM P =4.78 × 10 -9 ，重复3次实验的汇总结果）造成适度增加的体重增加率，并伴随着未改变的代谢特征（图S9i-m）。此外，这些小鼠的残余粪便热量水平低于媒介物处理的小鼠，这可能反映了较高的胃肠能量收集能力（图4d）。
与SCWG相关的另一种代谢物（表S5）是ACG，它是氨基酸甘氨酸的衍生物。在暴露于烟雾和停止暴露于烟雾的HFD喂养的小鼠中观察到ACG的血浆水平显著降低。抗生素介导的微生物群消耗后，ACG水平增加至无烟暴露水平（图S10a）。为了测试ACG对SCWG的影响，将ACG掺入饮食中给喂食HFD的小鼠（鉴于其低水溶性，这是含有7,500 mg kg -1 N -乙酰甘氨酸的HFD）。弹式量热分析证实HFD和ACG+HFD具有可比的热量含量，显著高于NC（图S10b），并且添加ACG的食物导致ACG水平的系统性增加（图S10c）。在SCWG模型中，向暴露于烟雾的HFD喂养小鼠补充ACG可改善SCWG（图4e；LMM P =2.06 × 10 -5 ，实验重复2次）。值得注意的是， 与HFD喂养的对照组小鼠相比，HFD喂养的小鼠补充ACG 35天（且未暴露于烟雾）具有显著较低的体重增加率 （图4f（LMM P =1.04 × 10 -21 ，重复6次实验的汇总结果），并在补充ACG 15天后终止额外的重复，图S10d（LMM P =0.006））。这些ACG介导的减肥效果与葡萄糖耐量的改善（图S10e）、血浆白蛋白的增加、血浆甘油三酯的降低和丙氨酸转氨酶活性的提高（图S10f）相结合。在补充ACG的小鼠中，热量摄入略有增加（图S10g），运动、呼吸交换率和能量消耗与未补充ACG的对照小鼠相似（图S10h-j）。有趣的是，在给予D 13 -硫酸胆碱后，暴露于烟雾环境下的HFD喂养小鼠体内发现了微生物群落依赖的D 8 -DMG水平升高（图3f），并伴随着微生物群落依赖的标记-ACG（D 2 -ACG）水平降低，这被抗生素处理废除（图4g）。类似地， 向未暴露于烟雾的HFD喂养小鼠补充DMG可导致血浆ACG降低 （图4h），而 补充ACG不会影响全身DMG水平 （图S10k）。这些结果表明，DMG和ACG生物合成途径之间存在微生物群依赖性互连，值得进一步研究。
接下来，我们对补充DMG和ACG后HFD喂养的小鼠附睾脂肪免疫细胞进行单细胞转录组学分析（图S11a-d，表S6）。DMG处理导致脂肪组织Ly6C + 单核细胞增加，这已被证明有助于肥胖相关的促炎症程序（图4i）。ACG处理导致Trem2 + 巨噬细胞水平降低，这与小鼠和人类的肥胖和体重增加有关（图4j）。类似地， 在补充DMG和ACG的小鼠中，多个脂肪组织基因，主要与肥胖和相关通路有关，包括免疫反应、溶酶体功能、组织重塑、细胞外基质、死亡细胞去除和血管生成，表现出相反的差异表达模式 （图S12a）。这些基因包括在Trem2 + 脂肪组织巨噬细胞中表达的基因，如 Rcn3 、 Tspan4 和 Pla2g7 （图4k）。未来的研究将确定这些代谢物对脂肪组织免疫作用的分子性质和作用机制，以及其他已确定的香烟烟雾相关代谢物对这些特征的影响。
图4. 香烟烟雾相关代谢物影响SCWG。 a，补充DMG的HFD喂养小鼠的SCWG。n=10只/组，non-SMK+abx除外（ n =9）；第 42天：单因素方差分析和Sidak。Rx，处理。b，摄入胆碱缺乏饮食的小鼠在烟雾暴露和戒烟期间的体重变化。 n =20（non-SMK、SMK和non-SMK+abx）或19只小鼠（SMK+abx）。来自2次独立实验的汇总结果；第35天：单因素方差分析和Sidak。插图显示iAUC、单因素方差分析和Sidak。c，补充DMG期间HFD喂养小鼠的体重变化。 n =30（PBS）或29只小鼠（DMG），从3个独立重复中汇集；第21天：非配对双侧t检验。插图显示iAUC，非配对双侧t检验。d，补充DMG期间HFD喂养小鼠每克粪便的热量含量。 n = 9（PBS）或7只（DMG）；非配对双侧t检验。e，HFD喂养的小鼠在暴露于烟雾和停止吸烟期间的体重变化。n=10（non-SMK、non-SMK+ACG和SMK+ACG）或9只小鼠（SMK）；第49天：单因素方差分析和Sidak。插图显示iAUC、单因素方差分析和Sidak。f，小鼠补充ACG期间的体重变化。对照（仅限HFD）和ACG（HFD+ACG）， n =74只小鼠/组，从6个独立的重复中汇集；第 35天：非配对双侧t检验。插图显示iAUC，非配对双侧t检验。g，标记-ACG（D 2 -ACG）的靶向质谱分析。给HFD喂养的小鼠灌胃D 13 -硫酸胆碱，4天后收集粪便和血浆样本。 n =8（non-SMK）或9只小鼠（SMK、non-SMK+abx和SMK+abx）；单因素方差分析和Sidak。 h，用PBS或DMG处理HFD喂养的小鼠的血浆ACG。 n =9（PBS）或10只小鼠（DMG）；双侧Mann-Whitney U 检验。i，j，在未暴露于烟雾的小鼠中补充DMG（i）和ACG（j）对附睾脂肪组织中单细胞转录组量化的细胞组成的影响。免疫群体中的细胞百分比， n =4，非配对双侧t检验。k，前25位基因与对照（对照）小鼠和PBS、ACG或DMG处理小鼠的体重相关。基因表达显示为Trem2 + 巨噬细胞中每百万个假体转录物的z分数， n =4。灰色背景表示停止期。所有数据均显示平均值±s.e.m。* P <0.05，** P <0.01，*** P <0.001，**** P <0.0001，精确 P 值见表S1。
最后，我们利用一项不相关的人类临床试验的基准样本来描述96名参与者的年龄和性别匹配的小横断面队列的微生物群特征（方法，图S13a，表S7）。为了研究活跃吸烟者和不吸烟者之间的差异，根据小鼠模型的结果，我们构建了一个由我们小鼠模型的宏基因组组装而成的细菌基因组的宏基因组参考目录（方法，表S7），并具有驱动SCWG效应的潜力。与不吸烟的参与者相比（ n =40），吸烟参与者的粪便微生物群（ n =20）具有独特的分类组成（图S13b、c、表S7）和KEGG Orthology组成（KO、图S13d、e、表S7）。二元分类器（方法）根据微生物群分类学组成成功区分吸烟和不吸烟的参与者（图S13f）。 吸烟参与者的血浆胆碱、甜菜碱和DMG水平升高 （不吸烟=62；吸烟=34；图S13g-i），与小鼠模型的结果相似。这些初步发现值得未来进行更大规模的对照研究。
讨论
我们的结果 从机制上突出了微生物和宿主成分在驱动SCWG方面的密切合作 。总之，它们有助于增加膳食胆碱向生物活性DMG的转化，减少生物活性ACG，并可能导致由其他香烟烟雾改变的代谢物介导的影响。在动脉粥样硬化的背景下，肉碱-三甲胺-三甲胺- N -氧化物途径也提出了类似的协同进化概念。我们假设，在吸烟过程中，失调的逐渐发展和相关代谢物的改变，包括DMG的过度产生和ACG的相关抑制，可以作为对以主动吸烟为特征的占主导地位的非微生物组依赖性厌食症的反馈回路。戒烟后，厌食信号迅速消失，而致肥胖的“吸烟微生物群”结构和累积的代谢物缓慢逆转。这最终会导致SCWG。
由于吸烟是一种不可能在小鼠中复制的人类自愿行为，因此此处描述的模型不可能完全解释人类SCWG表型，这值得进一步大规模研究。 尽管存在这些局限性，但我们的结果为之前未被重视的微生物群参与SCWG提供了概念证明，并表明 有针对性的饮食、微生物和益生元处理可用于减轻SCWG和优化长期禁欲成功率。 有趣的是，我们的益生代谢物干预在小鼠中产生了与表型体重相关的影响，即使在没有接触香烟烟雾的情况下也是如此。在吸烟和非吸烟环境中，经鉴定的代谢物作为人类干预的潜在效用值得进一步研究。
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